煤焦油沥青衍生碳纳米笼，用于高性能超级电容器

摘要：分级多孔碳材料是电化学储能的先进载体。本文，南京大学吴强教授、王喜章教授、Prof. Zheng HU等研究人员在《ACS Appl. Energy Mater》期刊发表名为“Coal-Tar-Pitch-Derived Carbon Nanocages

1成果简介

分级多孔碳材料是电化学储能的先进载体。本文，南京大学吴强教授、王喜章教授、Prof. Zheng HU等研究人员在《ACS Appl. Energy Mater》期刊发表名为“Coal-Tar-Pitch-Derived Carbon Nanocages for High-Performance Supercapacitors”的论文，研究以煤炭开采过程中获得的廉价煤焦油沥青（Ctp）作为MgO模板法的前驱体，合成了具有不同比表面积、孔体积、导电性和润湿性的分级碳纳米笼（CNC）系列材料。优化后的CNC展现出卓越的超级电容器性能，在1A g–1 电流密度下表现出23 F g–1 的比电容，并在6 M KOH电解液中以50A g–1 电流密度循环120,000次后，比电容保持率达94. 6%的电容保持率，循环次数达120,000次，电解液为6 M KOH。在1M Na₂SO₄电解液中，其在1Ag⁻¹条件下表现出191 F g–1 的比电容，循环次数达120,000次，电容保持率为84% 。本研究不仅提供了一种具有优异超级电容器性能的先进分级多孔碳材料，还为煤矿开采中Ctp的高价值利用提供了高效途径。

2图文导读

图1. SEM and TEM images of the CNC-Y. (a–c) CNC-1. (d–f) CNC-2. (g–i) CNC-3. (j–l) CNC-4.

图2. Structure and composition characterizations and dynamic contact angles of CNC-Y. (a) Pore size distributions. (b) SSA, pore volume, and bulk conductivity (κ). (c) Raman spectra. (d) Deconvolved N 1s and S 2p XPS spectra. (e) Dynamic contact angles of CNC-1 at 0 and 20 s.

图3. Electrochemical performances of CNC-Y in 6 mol L–1 KOH. (a) CV curves at 100 mV s–1. (b) GCD curves at 1 A g–1 and 200 A g–1. (c) Rate performance. (d) Ragone plots. (e) Cycling stability of CNC-1 at 50 A g–1. Inset is the Nyquist spectra before the 1st cycle and after 110,000 cycles. (f) Ragone plots of CNC-1 and reported Ctp-derived carbon materials in 6 mol L–1 KOH.

图4. Electrochemical performances of CNC-Y in 1 mol L–1 Na2SO4. (a) Rate performance. (b) Ragone plots. (c) Ragone plots of CNC-1 and reported Ctp-derived carbon materials in neutral electrolytes. (d) Cycling stability of CNC-1. Inset is the Nyquist spectra before and after 110,000 cycles. (e, f) Photos of lighting LED by a flexible supercapacitor in the flat (e) and curled (f) states.

3小结

综上所述，通过MgO模板法以廉价的煤焦油沥青为前驱体，合成了系列分级碳纳米笼。微孔和细孔的孔体积得到了有效调控。优化后的CNC样品展现出卓越的超级电容器性能，包括高比电容（中性电解液中为191 Fg–1，碱性电解液中为236 F g–1，电流密度为1Ag–1）、高倍率性能以及长期稳定性，电容保持率分别为83.7%和94. 6%的电容保持率。CNC超越了已报道的Ctp衍生碳材料，在碱性电解液中实现9.84Wh kg–1@270W kg–1，在中性电解液中实现21.48 Wh kg–1@450 W kg–1。本研究为Ctp的高价值利用及EDLCs用低成本先进电极材料的开发提供了有前景的策略。

文献：