電極材料的精心設(shè)計對高性能超級電容器的開發(fā)起著至關(guān)重要的作用。本文通過在Co/Zn-ZIF衍生的氮摻雜多孔碳(NDPC)中引入過渡金屬(Co, Nb, Mo,和Fe)，采用一種簡便的方法來調(diào)節(jié)碳基電極的超電容行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，過渡金屬物的加入調(diào)節(jié)了制備的Co-NDPC和M/Co-NDPC (M = Nb、Mo或Fe)的微觀結(jié)構(gòu)、納米孔織構(gòu)和親水性，進(jìn)一步調(diào)整了它們的超電容性能。由于Nb/Co-NDPC樣品的表面積大，孔隙豐富，潤濕性好，相應(yīng)的電極顯示其在0.5 A g
-1時比電容最高為293 F g
-1，在20 A g
-1時電容保持率為82%。所有電極在15000次充放電循環(huán)中顯示出顯著的穩(wěn)定性。第一性原理密度泛函理論(DFT)計算表明，Nb/Co-NDPC電極優(yōu)越的電容性行為可歸因于其靜電勢表面的不均勻性和對K
+離子的強(qiáng)大吸附能力。本文的工作為采用DFT計算超級電容器設(shè)計新型高性能電極材料提供了一種精細(xì)策略。
圖1. M/Co-NDPC合成路線示意圖。
圖2. (a) XRD譜圖，(b)拉曼光譜，(c)不同樣品的 N
2吸附-脫附等值線;(d) Co-NDPC、 (e) Fe/Co-NDPC、(f) Mo/Co-NDPC和(g) Nb/Co-NDPC的PSD曲線;(h)在Co-NDPC中加入再生金屬摻雜劑后，碳晶體進(jìn)一步生長，導(dǎo)致中孔向微孔轉(zhuǎn)化的示意圖。
圖3. (a) Co-NDPC、(b) Fe/Co-NDPC、(c) Mo/Co-NDPC和(d) Nb/Co-NDPC的FESEM圖像;Nb/Co-NDPC的(e-g) TEM圖像和(h)高分辨率TEM圖像;(i) Co-NDPC到M/Co-NDPC轉(zhuǎn)換的示意圖。
圖4. (a) Nb/Co-NDPC、Mo/Co-NDPC、Fe/Co-NDPC和Co-NDPC的XPS測量; Nb/Co- NDPC樣品中(b)C 1 s、(c) N 1 s、(d) O 1 s、(e) Co 2p和(f) Nb 3d的XPS譜圖;(g) Co-NDPC、(h) Fe/Co-NDPC、(i) Mo/Co-NDPC和(j) Nb/Co-NDPC的水接觸角測量;(k)不同樣品電導(dǎo)率、N含量、I
G/I
D比較。
圖5. (a)三電極系統(tǒng)的圖示;(b) 20 mV s
-1掃描速率下的CV曲線;(c)電流密度為1 A g
-1時的GCD曲線;(d) Nyquist圖(插圖:高頻區(qū)域的Nyquist圖)和(e)相位角與頻率的Bode圖。
圖6. (a) Nb/Co-NDPC、(b) Mo/Co-NDPC、(c) Fe/Co-NDPC和(d) Co-NDPC在不同掃描速率下的CV曲線;(e) Nb/Co-NDPC、(f) Mo/Co-NDPC、(g) Fe/Co-NDPC和(h) Co-NDPC在不同電流密度下的GCD曲線;(i) Co-NDPC和M/Co-NDPC在不同電流密度下的比電容和電容保持量;(k)本工作中制備的樣品與之前報道的ZIF衍生的碳材料的電容性能比較。
圖7. (a) Nb/Co-NDPC的對數(shù)峰值電流與對數(shù)掃描速率之間的關(guān)系;(b) Co-NDPC、Fe/Co-NDPC、Mo/Co-NDPC、Nb/Co-NDPC電極的b值;(c) Nb/Co-NDPC電極在5 mV s
-1時的擴(kuò)散控制和電容控制對電荷存儲的貢獻(xiàn);(d) Nb/Co-NDPC在不同掃描速率下的電荷存儲貢獻(xiàn)計算。
圖8. (a) Nb/Co-NDPC、Mo/Co-NDPC、Fe/Co-NDPC和Co-NDPC電極在20 A g
-1時的循環(huán)穩(wěn)定性;(b) Nb/Co-NDPC、(c) Mo/Co-NDPC、(d) Fe/Co-NDPC和(e) Co-NDPC電極15000次循環(huán)前后的GCD曲線。
圖9. 不同超級電容器材料的循環(huán)穩(wěn)定性和比電容比較。注:SCNT:單壁碳納米管;OLC:洋蔥狀碳材料;CMG:化學(xué)改性石墨烯;NPC: ZIF-67衍生的納米孔炭;Z- 900: ZIF-8制備的納米孔碳;AC:香蕉纖維衍生的的活性炭;MCS:介孔碳納米球;MC:介孔碳;CNFs@PPy:包覆聚吡咯的碳納米纖維;AHPC:柚皮纖維衍生的分級多孔炭;NPS:納米多孔碳片;AP-HC:蘆薈皮衍生的蜂窩狀多孔炭;FHPC:花狀分級多孔碳材料;N-CNF:富氮碳納米纖維;NG:氮摻雜石墨烯;PFC-700:白蘇葉衍生碳納米片;MCFC:介孔結(jié)晶富勒烯C
70立方體;N-MCS: N-摻雜微孔碳球;N, S-PNCs:氮硫共摻雜多孔碳納米片; hNCNC:分級氮摻雜碳納米籠。
圖10. (a)不同品表面優(yōu)化模型的靜電勢映射(紅色為負(fù)電勢區(qū)，藍(lán)色為正電勢區(qū));(b) Co-NDPC、(c) Fe/Co-NDPC、(d) Mo/Co-NDPC和(e) Nb/Co-NDPC中N和過渡金屬原子的凈電荷分析。
圖11.優(yōu)化后的K
+吸附結(jié)構(gòu)在不同碳表面模型上的(a)俯視圖和(b)側(cè)視圖;(c) K
+吸附的電荷密度差;(d) Nb/Co-NDPC上對應(yīng)的平面積分電荷密度差。
相關(guān)研究成果由西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、功能材料實(shí)驗(yàn)室云斯寧課題組于2021年發(fā)表在Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129636)上。原文：Tailoring the supercapacitive behaviors of Co/Zn-ZIF derived nanoporous carbon via incorporating transition metal species: A hybrid experimental-computational exploration。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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