福州大学发现3D类石墨烯多孔碳纳米片，用于高性能水系锌离子存储

成果简介

锌离子混合电容器 (ZIHC) 表现出优异的充电存储性能和本质安全性，是由于水性可充电电池和超级电容器的继承优势。然而，电化学性能的提升通常受到无法保持 ZIHC 高能量密度和倍率性能的正极材料的阻碍。将多孔碳阴极优化为分层结构是打破 ZIHC 瓶颈的有效策略。本文，福州大学Yingshu Wang、西安交通大学杨卷副教授等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“3D graphene-like oxygen and sulfur-doped porous carbon nanosheets with multilevel ion channels for high-performance aqueous Zn-ion storage”的论文，研究提出提出了一种金属氧化物空间限制策略，以低成本芳烃为前驱体，构建掺杂O和S杂原子的3D类石墨烯多孔碳纳米片 (3DPC)。发现所获得的 3DPC 由微孔、中孔和大孔组成，并进一步提供了 2813m2 g-1的高比表面积，总孔体积为1.82 cm3 g -1。

具体来说，这种定义明确的 3DPC 分级孔隙率与丰富的 O 和 S 杂原子相结合，能够提供足够的多级离子传输通道和大的可访问表面位点来捕获 Zn 2+离子。作为验证证明，使用3DPC正极组装的水性ZIHC在0.5Ag-1下表现出194 mAh g -1的理想容量，在 30 A g -1下具有 53% 的优异倍率能力在 15000 次循环后具有超过 88% 的出色循环稳定性。此外，在准固态ZIHC器件的各种苛刻弯曲状态下，3DPC正极的显着电化学性能可以得到很好的保留，突出了在柔性和可穿戴储能方面的广阔应用前景。

图文导读

图1。(a) 3DPC 样品的制备流程示意图，(b-d) 3DPC 样品的 SEM 和 (e-g) TEM 图像，以及 (h) STEM 图像和相应的元素分布。

图2。(a) N 2吸附-解吸等温线和(b) 3DPC和MC样品的孔径分布，和(c) 0.5-4 nm孔径的放大图像，用矩形虚线标记

图3。(a) 基于3DPC//ZnSO 4 (aq)//Zn的ZIHC 示意图，(b) 不同扫描速率下的 CV 曲线，(c)来自 CV 曲线的氧化还原峰的log i和 log v之间的拟合图， (d) 3DPC 电极的 GCD 曲线，(e) 3DPC、MC 和 c-AC 电极在不同电流密度下的比容量，(f) ZIHC 的 Ragone 图与以前文献中报道的其他能源装置相比，以及 (g) ) 10 A g -1下的循环稳定性和库仑效率。

图4、电化学性能

小结

总之，通过简单的 MO 空间限制策略合成了具有大 SSA 和丰富的 O 和 S 杂原子掺杂剂的分级多孔结构的 3DPC纳米片。这项工作为水性储能装置的碳阴极设计提供了启发。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.09.056