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利用-NH2官能團(tuán)增加碳材料表面電荷密度

清新電源 ? 來(lái)源:環(huán)材有料 ? 作者:Xin Shi ? 2022-11-15 09:13 ? 次閱讀

研究背景

由于成本低、儲(chǔ)量豐富、離子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)快等優(yōu)勢(shì),水系鋅離子雜化電容器(ZHSCs),受到研究者廣泛關(guān)注。

然而,碳陰極容量低,導(dǎo)致ZHSCs的能量密度相對(duì)較低(< 100 Wh kg-1),使得它們與其他儲(chǔ)能系統(tǒng)相比沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。碳材料主要基于雙電層電容存儲(chǔ)機(jī)制來(lái)吸附離子,根據(jù)公式Cdl=eS/d(其中,e是電解液介電常數(shù);S是電極/電解質(zhì)接觸面積,與比表面積有關(guān);d是雙電層厚度)可知,可以通過(guò)增加碳材料的比表面積來(lái)提高電極與電解質(zhì)的接觸面積S,從而提高碳材料的雙電層電容。受現(xiàn)有技術(shù)限制,碳材料的比表面積無(wú)法無(wú)限增大,增加的比表面積也無(wú)法保證全部用于離子存儲(chǔ)。

有鑒于此,中山大學(xué)盧錫洪等團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種通用的策略減小EDLs厚度d來(lái)提升EDLs電容,即利用-NH2官能團(tuán)增加碳材料表面電荷密度,同時(shí)-NH2上的孤電子對(duì)可以與Zn2+發(fā)生強(qiáng)相互作用,從而有效壓縮了EDLs厚度,顯著提升了鋅離子的存儲(chǔ)容量。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊Angewandte Chemie International Edition上。

圖文導(dǎo)讀

碳材料的制備與微觀結(jié)構(gòu)

首先,以納米ZnO為模板、KOH為化學(xué)活化劑,通過(guò)高溫煅燒將煤焦油瀝青轉(zhuǎn)化為多孔碳(PC)。之后,在乙二胺溶液中,利用多肽縮合試劑將-NH2官能團(tuán)嫁接到碳材料表面,得到-NH2基團(tuán)修飾的多孔碳(APC)。相關(guān)測(cè)試表明,APC表面含有多種含氮物種,缺陷程度更高。

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碳材料的電化學(xué)性能

電化學(xué)測(cè)試表明,APC具有超高的鋅離子存儲(chǔ)容量(255.2 mAh g-1),且展現(xiàn)了優(yōu)異的容量保持率(50000次循環(huán)后,容量保持率為95.5%)和倍率性能,而多孔碳PC容量只有71.1 mAh g-1且?guī)靷愋实停?7.6%)。

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鋅離子存儲(chǔ)性能提升的內(nèi)在機(jī)制

電化學(xué)測(cè)試和理論計(jì)算表明,鋅離子存儲(chǔ)容量的提升源于-NH2官能團(tuán)上的孤電子對(duì)可以增加碳材料表面電荷密度,同時(shí)與Zn2+發(fā)生強(qiáng)相互作用,從而有效壓縮了EDLs厚度。

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文獻(xiàn)鏈接: https://doi.org/10.1002/anie.202214773





審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:中山大學(xué)盧錫洪Angew:壓縮雙電層,提升儲(chǔ)鋅容量

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