新疆大学：蚕蛹为原料制备多孔碳材料，用于固态高电容超级电容器

成果简介

利用生物资源制备的掺杂杂原子的多孔碳材料在储能领域引起了广泛关注。本文，新疆大学Hui Chai等研究人员在《Diamond and Related Materials》期刊发表名为“Fabrication of solid-state high capacitance supercapacitor from N-doped biomass porous carbon”的论文，研究以蚕蛹为原料，采用简便的碳化和活化方法制备了富含氧、氮等杂原子的干酪状多孔碳材料。得益于活化过程中活化剂比例和活化温度之间的折衷，优化后的NBC600-1:3 样品不仅具有 2005.04 m2g-1的大比表面，而且杂原子掺杂水平高达 11.90 %，从而在 6 M KOH 溶液中实现了1Ag-1 时406 Fg-1的最大质量比电容和 20 A g-1 时 70.44 %（286 F g-1）的良好速率能力。

所组装的对称电化学电容器在 1 M Na2SO4 溶液中的能量密度高达 21.78 W h kg-1（450 W kg-1），功率密度为 4500 W kg-1（13.75 W h kg-1）。值得注意的是，制备的准固体器件在各种弯曲角度下都能表现出良好的透视性能，表明其具有良好的柔性。这项工作为生物质碳在柔性电子中的应用前景提供了可能。

图文导读

方案1.NBCX-Y材料的制备图示。

图2、样品的形貌

图2.NBCX-1：3的拉曼光谱和（b）XPS光谱;（c） NBC1-1：600的N 1 s和（d） O 3s光谱。

图3.（a） NBC600-1：3的XRD图谱;（b） NBC和NBCX-1：3的氮吸附等温线和（c） NBC600-1：3的PSD曲线。

图4：（a）50 mV s-1 时的 CV 曲线；（b）1Ag-1 时的质量比电容；（c）NBCX-1:3（三电极系统）的速率能力和（d）奈奎斯特图。

图5. NBC600-1:3 在以 6 M KOH 为电解液的三电极系统中的电化学性能

图6. 使用1M Na2SO4 作为电解质的对称器件的电化学性能

图7. 以 PVA-Na2SO4 水凝胶为电解质的 NBC600-1:3/NBC600-1:3 的电化学性能

小结

总之，通过碳化和活化从蚕蛹中制备出了 NBCX-Ys，从而研究了它们的电化学性能。结果表明，NBC600-1:3 具有最佳的电化学性能。这可能是由于 NBC600-1:3 具有适当的比表面、较高的杂原子掺杂水平和良好的电子导电性。制备的 NBC600-1:3在1Ag-1 的条件下具有 406Fg-1 的显著质量比电容，而在 6M KOH 电解液中，即使在 20 A g-1 的条件下也具有 286 F g-1 的良好电容（70.44%）。

此外，基于 NBC600-1:3组装的对称EDLC在1M Na2SO4 溶液中表现出更高的能量密度，高达21.78Wh kg-1（450 W kg-1），功率密度为 4500 W kg-1（13.75 W h kg-1），同时还具有良好的循环稳定性（在 5 A g-1 下循环 7000 次，电容保持率约为 80.34%）。在制备的 NBC600-1:3/NBC600-1:3 柔性系统中，不同弯曲角度（0°、90°、180°）下的质量比电容几乎保持不变，显示出良好的柔性。制备的NBC600-1:3 具有良好的电化学性能，有望用于储能设备。这种以生物质材料为前驱体，通过合理处理获得碳材料的策略促进了储能和对话领域其他材料的研究。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110612