1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 能源学人

KOH蚀刻诱导石墨化制备高性能超级电容器层状多孔石墨碳片

电化学双层电容器(EDLCs)通过电化学界面处的电荷分离来存储和释放能量,已被认为是最有应用前景的能量存储装置之一。 EDLCs的性能取决于电极材料与离子相互作用,及其电子传输能力。多级孔石墨碳因其高电导率、多级孔结构和高表面积而受到极大关注。这些关键特征对于EDLCs实现高能量密度以及高功率密度至关重要。然而,目前制备多级孔石墨碳材料需要使用高成本的模板及耗时的多步骤(包括模板去除、胶凝过程、特殊干燥工艺),严重阻碍了EDLCs的实际应用。同时,为了实现高石墨化,高温(>1000℃)及催化剂(Fe,Co,Ni等)也不可避免的被使用。因此,尽管目前构建高表面积多级孔石墨碳材料非常必要,但仍然面临巨大挑战。

最近,中国科学院大连化学物理研究所的孙公权研究员与王素力研究员领导团队通过KOH刻蚀诱导石墨化法成功合成了多级孔石墨碳材料。当其用于电化学电容器电极材料时,表现出优异的电容性能和倍率性能。该文章发表在国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上(影响因子:9.931),第一作者为博士研究生戚甫来。

 基于碳质前体季戊四醇三聚氰胺磷酸盐(PMP)研究者发展了KOH刻蚀诱导石墨化策略,可在800℃的温度下获得多级孔石墨碳纳米片(HPGCS)。碳质前体PMP通过化学发泡从直接获得由富含磷酸酯键的碳纳米片围成的3D大孔支架(MS)。随后在800℃的温度下化学活化,研究发现KOH活化起着两个关键作用:(i)打断磷酸酯键以促进碳原子的重排和结晶; (ii)增加表面积和孔隙率。获得的多级孔石墨碳纳米片主要由相互连接的sp^2键合的多层石墨碳构成,具有3853m^2/g的比表面积和2.79cm^3/g的孔体积。受益于这种独特的结构,HPGCS在有机电解质中,比容量高达188F/g,电流密度提升至100A/g时,容量保持率为80%,该性能优于文献报道的大部分碳材料。组装的对称型电容器能量密度高达45.3Wh/kg,较可乐丽公司YP-50活性碳提升近78%。通过电化学阻抗谱分析发现,得益于多级孔结构和较高石墨化程度,较商品活性碳,HPGCS的电荷转移电阻和电解质离子的扩散均大幅降低,这也是HPGCS倍率性能提升的关键因素。

该工作通过KOH刻蚀打断磷酸酯键诱导碳原子重排结晶提升石墨化程度,同时起到调控孔结构的作用,在800℃下即可获得高比表面积的多级孔石墨碳,用作电化学电容器电极材料显著提升其比容量和倍率性能。该方法无需模板和耗时过程、工艺简单、易于放大,为电化学电容器电极材料的合成提供了新思路。

KOH蚀刻诱导石墨化制备高性能超级电容器层状多孔石墨碳片

图1. 多级孔石墨碳的合成示意图。

KOH蚀刻诱导石墨化制备高性能超级电容器层状多孔石墨碳片

图2.大孔骨架和多级孔石墨碳的形貌表征。(a-c)大孔骨架的不同放大倍数的SEM图像,(d)多级孔石墨碳的SEM图像,(e,f)多级孔石墨碳的TEM,HR-TEM图像和相应的SAED图。

KOH蚀刻诱导石墨化制备高性能超级电容器层状多孔石墨碳片

图3.多级孔石墨碳与可乐丽YP-50活性碳的电化学性能。(a)100mV/s扫描速率下的循环伏安曲线,(b)不同扫面速率下的循环伏安曲线,(c)不同电流密度下的充放电曲线,(d)倍率性能曲线,(e)电容性能对比,(f)循环稳定性曲线。

KOH蚀刻诱导石墨化制备高性能超级电容器层状多孔石墨碳片

图4.多级孔石墨碳与可乐丽YP-50活性碳的电化学交流阻抗分析结果。

KOH蚀刻诱导石墨化制备高性能超级电容器层状多孔石墨碳片

图5.多级孔石墨碳与可乐丽YP-50活性碳的Ragone图。

 

材料制备过程

将29.4g磷酸和6.8g季戊四醇加入250mL烧瓶中搅拌酯化获得季戊四醇磷酸盐。酯化反应在120℃,-0.1Mpa下进行。同时,将13.6g三聚氰胺分散到120mL无水乙醇中。酯化结束后,将分散的三聚氰胺加入到季戊四醇磷酸酯中,在80℃下回流。干燥后即可获得季戊四醇三聚氰胺磷酸盐(PMP)。将PMP在管式炉中以5℃/min的升温速率在500~800℃下处理获得3D大孔支架,在不同温度下获得的3D大孔支架标记为MS-x(500,600,700,800)。将MS-x与KOH研磨充分混合,KOH 与MS-x的质量比为3.5。混合后,将KOH / MS-x混合物以5℃/min-1的升温速率在800℃活化处理1小时。冷却至室温后,用10%盐酸和去离子水反复洗涤样品直至中性。然后在75℃下真空干燥4小时得最终的多级孔石墨碳纳米层,标记为HPGCS-x(500,600,700,800)。

 

Fulai Qi, Zhangxun Xia, Ruili Sun, Xuejing Sun, XinlongXu, Wei Wei, Suli Wang, and Gongquan Sun, Graphitization induced by KOH etching for the fabrication of hierarchical porous graphitic carbon sheets for high performance supercapacitors, Journal of Materials Chemistry A,(2018), DOI:10.1039/C8TA01186A

本文来自能源学人,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号能源学人

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code