竹子状氮掺杂碳纳米管复合纤维，用于长寿命超级电容器

摘要：尽管对碳纳米纤维（CNFs）进行了广泛的研究，但由于其导电性和电化学性能相对较差，还不足以满足高性能超级电容器的标准。将独特的类竹氮掺杂碳纳米管（BN-CNTs）与 CNF 复合可有效提高导电性和电化学特性。本文，安徽大学Chunyan Xu、牛和林教授课题

1成果简介

尽管对碳纳米纤维（CNFs）进行了广泛的研究，但由于其导电性和电化学性能相对较差，还不足以满足高性能超级电容器的标准。将独特的类竹氮掺杂碳纳米管（BN-CNTs）与 CNF 复合可有效提高导电性和电化学特性。本文，安徽大学Chunyan Xu、牛和林教授课题组在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes on Carbon Nanofibers for Applications as Supercapacitors with Long Lifetimes”的论文，研究通过引入三聚氰胺和Ni-ZIF纳米片，并将其与聚丙烯腈（PAN）钝化的 CNF 结合并在高温下碳化，制备了竹状氮掺杂碳纳米管复合纤维（BN-CNTF）。

这种纳米复合材料结构具有高比表面积、多孔径、丰富的氮掺杂、高导电性、亲水性和独特的纳米结构等优点。这些优势的协同效应对提高电化学性能至关重要。在1 A g–1的电流密度下，BN-CNTF的比电容高达359.9F g–1。由于采用了三维纳米复合结构，使用BN-CNTF构建的对称超级电容器在功率密度为500 W kg–1 时的能量密度为18.9 Wh kg–1。此外，该器件还具有显著的循环稳定性，在10A g–1的电流密度下，经过10,000次恒定电流充放电循环后，电容保持率为70%。这项研究为利用纳米材料开发具有高能量密度和长循环稳定性的超级电容器提供了宝贵的参考。

2图文导读

方案一、Schematic Illustration of the Synthesis of BN-CNTF.

图1. SEM images of (a, b) CNTC, (c, d) CNTF, and (e, f) BN-CNTF.

图2. TEM images of (a) Ni/BN-CNTF, (b) BN-CNTF; HRTEM images of (c) Ni/BN-CNTF, (d) BN-CNTF; and elemental mapping image of (e) Ni/BN-CNTF, (f) BN-CNTF.

图3. (a–c) XRD patterns of different materials; (d) Raman spectra of CNF, CNTC, CNTF, and BN-CNTF.

图4. CNTF and BN-CNTF: (a) N2 adsorption/desorption isotherms and (b) pore-size distribution curve. BN-CNTF: (c) XPS full spectra, (d–f) high-resolution spectra of C 1s, N1s, and O1s.

图5. (a) CV curves at scan rate of 50 mV s–1, (b) GCD curves at current density of 1 A g–1, (c) EIS diagram (illustration: high-frequency region) and (d) the specific capacitances vs current density curves for different electrodes; BN-CNTF: (e, f) CV and GCD curves, (g) log (i)–log (v) diagrams of specific peak current, (h) capacitance contribution (purple) and diffusion contribution (blue) at 10 mV s–1, (i) contribution ratio of different scan rates.

图6. BN-CNTF//BN-CNTF-SSC performance tests: (a) CV curves in different voltage windows, (b) CV curves at different scan rates, (c) GCD curves at different current densities, (d) EIS diagram (inset: high-frequency region), (e) Ragone diagram, and (f) cycle stability test (inset: LED powered by an SSC device).

3小结

本研究通过引入三聚氰胺制备了 BN-CNTF 电极，并将 BN-CNT 负载到 CNF 上，从而构建了具有三维纳米互连结构的 BN-CNTF 电极材料。三聚氰胺作为一种双功能前驱体，不仅提供了碳/氮源，还在 CNF 表面形成了锚定位点，从而诱导了 BN-CNT 的均匀负载并形成了多级纳米导电网络。这种独特的纳米结构协同作用赋予了 BN-CNTF 较大的比表面积。纳米级导电竹结构与 CNF 的轴向通道协同构建了一条高效的电子传输路径。氮掺杂引入的缺陷位点优化了界面电荷存储行为。当 BN-CNTF 用作三电极材料时，在电流密度为1A g–1 时可显示出 359.9 F g–1 的高比电容。将其组装成对称超级电容器时，在功率密度为 500W kg–1的情况下，能量密度可达 18.9Wh kg–1。此外，在10A g–1的电流密度下，经过10,000 次恒定电流充放电循环后，该装置仍能保持 70% 的电容保持率。这种独特的三维互连纳米导电结构由CNF、掺杂氮原子和竹状 CNT组成，具有优异的电化学性能和导电性能，是超级电容器的理想电极，为开发高性能超级电容器提供了新思路。

文献：