氮掺杂石墨烯量子点/MOF衍生多孔碳纳米片构筑高性能超级电容器
发布时间：2020-12-09 02:07
首先采用溶液法在碳布上生长Co-MOF二维纳米片,通过高温退火和刻蚀后得到MOF衍生多孔碳纳米片。以Co-MOF衍生的多孔碳纳米片/碳布（CNS/CC）作为碳基骨架,采用电化学沉积法负载高活性氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）,制备得到分级多孔结构的N-GQD/CNS/CC复合材料。组装成自支撑且无粘结剂的N-GQD/CNS/CC电极,当电流密度为1 A·g-1时,其比电容高达423 F·g-1。通过储能机制和电容贡献机制的研究表明,在碳纤维上原位生长的具有高双电层电容的CNS和表面负载具有高赝电容的N-GQDs之间相互协同作用,使得N-GQD/CNS/CC电极具有高电容性能,是一种理想的超级电容器电极材料。电极材料的高导电、分级多孔结构有利于电子的传输和电解质离子的扩散,具有良好的动力学性能,能快速充放电和具有优异的倍率特性。将电极组装成对称型超级电容器,功率密度为250 W·kg-1时对应的能量密度达到7.9 Wh·kg-1,且经过10 000次循环后电容保持率为91.2%,说明氮掺杂石墨烯量子...
【文章来源】：无机化学学报. 2020年07期 第1298-1308页 北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
N-GQD/CNS/CC复合材料的(a)TEM图与(b)HRTEM图
图1a为酸化处理后的碳布的SEM图。碳布由直径约为8μm的碳纤维(图1b)相互交织组成，碳纤维表面呈现光滑形态。由图1c～d可清楚看到CoMOF呈纳米片状，均匀垂直地生长在碳布纤维上，形成Co-MOF纳米片包覆碳纤维的多孔结构。碳化且经过刻蚀处理后得到的CNS/CC形貌如图1e～f所示，碳化后的材料基本保持了原始的形貌，但是由于Co-MOF的配体经过煅烧处理后，纳米片与片之间的间距变大，这有助于片层电极材料与电解质进行充分接触并有利于电解质的扩散流动。从GQD CNS/CC复合材料(图1g～h)可以看出，氮掺杂石墨烯量子点均匀覆盖在CNS/CC表面，CNS纳米片的形貌未发生明显变化。纳米片与片之间的缝隙有助于CNS/CC碳基骨架与N-GQDs的充分接触，使量子点能够更好地沉积在CNSs表面，减小在电沉积过程中N-GQDs的团聚程度。为了检测N-GQD/CNS CC电极材料元素的组成和分布情况，对复合材料进行了Mapping元素分析。图1i是Mapping扫描区域，对该区域进行元素映射得到了C、N、O元素分布图(图1j～l)，可以看到3种元素均匀地分布在材料表面，充分表明N-GQDs均匀沉积在CNS/CC碳基骨架上。图2a为N-GQD/CNS/CC复合材料的TEM图。可以清楚看到，N-GQDs沉积在碳纳米片的表面，量子点的分布是均匀的，没有出现大范围团聚堆积现象，有利于发挥N-GQDs的高活性作用。通过HR-TEM(图2b)可以看到，N-GQD/CNS/CC复合材料中存在2种晶格间距，即碳纳米片的晶格间距0.34 nm和N-GQDs的晶格间距0.21 nm，分别对应(002)晶面和(100)晶面。进一步证明了N-GQDs成功负载到了MOF衍生的碳纳米片层上。
图2 N-GQD/CNS/CC复合材料的(a)TEM图与(b)HRTEM图图4(a)N-GQD/CNS/CC复合材料的XPS总谱图;(b)C1s、(c)N1s和(d)O1s的高分辨率XPS谱
本文编号：2906064
【文章来源】：无机化学学报. 2020年07期 第1298-1308页 北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
N-GQD/CNS/CC复合材料的(a)TEM图与(b)HRTEM图
图1a为酸化处理后的碳布的SEM图。碳布由直径约为8μm的碳纤维(图1b)相互交织组成，碳纤维表面呈现光滑形态。由图1c～d可清楚看到CoMOF呈纳米片状，均匀垂直地生长在碳布纤维上，形成Co-MOF纳米片包覆碳纤维的多孔结构。碳化且经过刻蚀处理后得到的CNS/CC形貌如图1e～f所示，碳化后的材料基本保持了原始的形貌，但是由于Co-MOF的配体经过煅烧处理后，纳米片与片之间的间距变大，这有助于片层电极材料与电解质进行充分接触并有利于电解质的扩散流动。从GQD CNS/CC复合材料(图1g～h)可以看出，氮掺杂石墨烯量子点均匀覆盖在CNS/CC表面，CNS纳米片的形貌未发生明显变化。纳米片与片之间的缝隙有助于CNS/CC碳基骨架与N-GQDs的充分接触，使量子点能够更好地沉积在CNSs表面，减小在电沉积过程中N-GQDs的团聚程度。为了检测N-GQD/CNS CC电极材料元素的组成和分布情况，对复合材料进行了Mapping元素分析。图1i是Mapping扫描区域，对该区域进行元素映射得到了C、N、O元素分布图(图1j～l)，可以看到3种元素均匀地分布在材料表面，充分表明N-GQDs均匀沉积在CNS/CC碳基骨架上。图2a为N-GQD/CNS/CC复合材料的TEM图。可以清楚看到，N-GQDs沉积在碳纳米片的表面，量子点的分布是均匀的，没有出现大范围团聚堆积现象，有利于发挥N-GQDs的高活性作用。通过HR-TEM(图2b)可以看到，N-GQD/CNS/CC复合材料中存在2种晶格间距，即碳纳米片的晶格间距0.34 nm和N-GQDs的晶格间距0.21 nm，分别对应(002)晶面和(100)晶面。进一步证明了N-GQDs成功负载到了MOF衍生的碳纳米片层上。
图2 N-GQD/CNS/CC复合材料的(a)TEM图与(b)HRTEM图图4(a)N-GQD/CNS/CC复合材料的XPS总谱图;(b)C1s、(c)N1s和(d)O1s的高分辨率XPS谱
本文编号：2906064
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