氟氮共掺杂多孔碳纳米片的制备及其储钾性能研究

作     者：蒋江民 郑欣冉 孟雅婷 贺文杰 陈亚鑫 庄全超 袁加仁 鞠治成 张校刚 Jiang Jiangmin;Zheng Xinran;Meng Yating;He Wenjie;Chen Yaxin;Zhuang Quanchao;Yuan Jiaren;Ju Zhicheng;Zhang Xiaogang

作者机构：中国矿业大学材料与物理学院徐州221116 南京航空航天大学材料科学与技术学院南京211106 南昌大学物理与材料学院南昌330038 河南理工大学材料科学与工程学院焦作454003 

出 版 物：《化学学报》 (Acta Chimica Sinica)

年 卷 期：2023年第81卷第4期

页      面：319-327页

核心收录：

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(22209204,22279162,21975283) 江苏省自然科学基金(BK20221140) 中国博士后科学基金(2022M713364)资助。 

主　　题：钾离子电容器 碳纳米片 煤沥青 氟氮共掺杂 吸附能 

摘      要：钾离子电容器是一种新型的电化学储能器件,碳基材料被认为是最有前途的储钾候选材料之一.然而,K+半径较大使得迁移速率缓慢,脱嵌过程中材料的结构易破坏,导致性能显著下降.因此,开发出低成本的碳材料来适应K+扩散的热力学与动力学需求,已成为当前发展的瓶颈.煤沥青是煤焦油经蒸馏提取液体馏分后得到的残余物,它的组成主要为稠环芳烃,具有高的含碳量、可塑性好、资源集中、价格低廉等显著优点,是一种优质的碳基材料前驱体.鉴于此,本工作采用煤沥青作为碳源、聚四氟乙烯为氟源,氯化钠为模板剂,通过直接高温碳化的策略制备了氟氮共掺杂的多孔碳纳米片(FNCPC).研究表明,纳米片层的结构设计有效缩短了离子的传输路径,F、N共掺杂拓宽了碳的层间距,缓解了体积膨胀问题,并且形成更多的表面缺陷,可为K+的存储提供更多的反应活性位点.此外,电化学动力学分析和密度泛函理论(DFT)表明,FNCPC具备显著的赝电容特性和强的对K吸附能.得益于结构和化学性质的协同优化,FNCPC负极展现出优异的储钾能力(2 A·g^(-1)电流密度下具有212.8 mAh·g^(-1)的比容量)和循环稳定性.进一步将商业化活性炭(AC)为正极,FNCPC为负极构筑了钾离子电容器(AC//FNCPC),该器件能实现最大的能量密度为87.5 Wh·kg^(-1),并且在循环3000次后具有86.1%的容量保持率,展现出广阔的应用前景.