以龙眼壳为原料制备多孔碳材料，用于高性能超级电容器

摘要：生物质多孔碳为能量存储提供了一种生态友好型解决方案，但在优化孔隙结构和电化学稳定性方面仍存在挑战。本文，东北石油大学Huan Wang等研究人员在《ACS Appl. Energy Mater》期刊发表名为“N, O-Codoped Porous Carbon

1成果简介

生物质多孔碳为能量存储提供了一种生态友好型解决方案，但在优化孔隙结构和电化学稳定性方面仍存在挑战。本文，东北石油大学Huan Wang等研究人员在《ACS Appl. Energy Mater》期刊发表名为“N, O-Codoped Porous Carbon Derived from Longan Shells for High-Performance Supercapacitor Electrodes”的论文，研究提出了一种新型方法，以龙眼壳为原料制备氮氧掺杂多孔碳（NOPC）电极，该电极专为双电层电容器（EDLC）而设计。通过高温活化和表面掺杂尿素和硝酸优化后的 N3OPC-3 电极表现出卓越的电化学性能，在6M KOH 电解液中进行三电极测试时，电流密度为 0.5A·g–1时的比电容达到463F·g–1。

此外，基于N3OPC-3 的对称超级电容器在功率密度为700W h·kg–1时，能量密度高达31.9W h·kg–1，并且具有优异的循环稳定性，在循环10,000次后仍能保持89%的初始电容。这些优异的性能特征可归功于其发达的三维分层多孔结构，该结构可增强离子扩散，氮和氧掺杂的协同效应可促进伪电容行为并提高电子导电性。这些结果凸显了生物质衍生材料作为可持续、高性能电极材料在储能应用方面的潜力，为传统碳源提供了一种生态环保型替代品，同时满足了对高效、可扩展储能系统日益增长的需求。

2图文导读

方案一、 Preparation Process of the NOPC Composites

图1. (a–f) SEM images of PC-1, PC-2, PC-3, PC-4, OPC-3, and N3OPC-3, respectively; (g–i) element mapping of N3OPC-3.

图2. (a) N2 adsorption–desorption isotherms and (b) BJH desorption pore size distribution curves of PC-x, OPC-3, and N3OPC-3.

图3. (a) XPS full-scan spectrum of N3OPC-3 and PC-3, (b) C 1s high-resolution XPS spectra, (c) N 1s high-resolution XPS spectra, and (d) O 1s high-resolution XPS spectra.

图4. (a) CV curves of PC-3, N3PC-3, OPC-3, and N3OPC-3 at a scan rate of 10 mV·s–1, (b) GCD curves of PC-3, N3PC-3, OPC-3, and N3OPC-3 at a current density of 0.5 A·g–1, (c) CV curves of N3OPC-3 at different scan rates, (d) GCD curves of N3OPC-3 at various current densities, (e) 10,000 cycle performance diagram of the N3OPC-3 electrode at 200 mV·s–1, (f) specific capacitance of PC-3, N3PC-3, OPC-3, and N3OPC-3 at various current densities, (g) the linear graph of log(i) versus log(ν) during the charging and discharging processes of N3OPC-3, (h) the capacitance contribution of N3OPC-3 measured at 100 mV·s–1, and (i) the contribution ratios of diffusion and capacitance control measured by N3OPC-3 at different scanning rates.

图5. (a) Nyquist plots of PC-3, N3PC-3, OPC-3, and N3OPC-3 electrodes and (b) the Rs and Rct of PC-3, N3PC-3, OPC-3, and N3OPC-3.

图6. (a) Schematic of the symmetrical supercapacitor constructed with N3OPC-3, (b) CV curves across various voltage windows at 50 mV·s–1, (c) CV curves at different scanning rates, (d) GCD curves at varying current densities, (e) specific capacitance and capacitance retention of the N3OPC-3//N3OPC-3, (f) Ragone plot compared with reported carbon materials, and (g) the cycling performance at 20 A·g–1.

3小结

总之，我们成功地从可持续发展的龙眼壳中提取出了NOPC，并将其用作 SC 的电极材料。经过优化的 N3OPC-3 是通过高温活化和水热法掺杂尿素和硝酸合成的，具有三维分层多孔结构，孔径以微孔为主，富含氮和氧官能团，有利于离子的高效扩散和增强法拉第氧化还原反应，显著提高了能量密度和功率密度。因此，N3OPC-3 在 0.5 A·g–1 条件下具有 463F·g–1的高比电容和 93.5% 的长循环稳定性（在 200 mV-s-1 条件下循环10,000次）。基于 N3OPC-3 的 EDLC 在 1 A·g–1 时可提供 134 F·g–1 的超高容量，并在10 A·g–1 时保持 94 F-g-1 的高容量。此外，该器件在功率密度为 700W h·kg–1时的最大能量密度为 31.9W h·kg–1，并具有超长循环性能（在 20A·g–1 条件下循环 10,000 次后电容保持率为89%）。这些发现对不同生物质前驱体用作储能材料具有一定的参考意义，为生产绿色储能装置提供了可行的思路。

文献：