柔性超级电容器 学习翻译
氨化辅助石墨烯修饰生物纤维在柔性超级电容器中的热活化
摘要
在此，我们展示了一种可扩展的合成路线，通过氨气辅助热活化工艺结合冷冻干燥技术来开发氮掺杂石墨烯修饰碳化棉(NGCs)。研究发现，氮掺杂石墨烯(NG)纳米片与炭化棉骨架纤维具有良好的分散性和交联性。氨在热处理过程中的辅助不仅有利于棉花的炭化和氧化石墨烯的还原，而且可以使氮元素粘结成整个碳复合材料。由于掺杂N官能团之间的协同效应和高导电交联网络,ngc电极表现出高电容(291 F g −1 1.0 g−1)和高循环稳定性(10000年之后几乎没有衰减周期)。此外,一种轻量级的,灵活的对称超级电容器组装,提供高能量密度(5 W h 公斤−1 0.2 g−1)和一个优秀的弯曲稳定,这表明其潜在的应用在可穿戴的能源存储设备。
1.介绍
柔性超级电容器(FSCs)被认为是柔性电子器件最有前途的电源之一。为了满足FSCs电极材料的电化学要求，碳纳米材料以其独特的孔径可调、导电性好、化学稳定性好等特点成为石墨烯、碳纳米管、碳纤维、活性炭、介孔碳等成为主要的选择。近年来，一种天然生物炭材料以其纤维状的微观结构、环保、低成本、天然丰度等特点在储能器件领域引起了广泛的关注。遗憾的是，大多数生物炭材料往往结构稳定性差，导电性相对不足。
为了解决这些问题，有人提出将碳纳米管(CNTs)、石墨烯等高导电性、柔韧性强的组分掺入生物碳材料中。例如，Ma's group采用单步化学气相沉积法制备了高度互联碳化棉纱上的无序CNTs，并获得了良好的导电性。同样，Zhang和他的同事通过"浸渍和冻干"技术制备了棉花/石墨烯复合材料，并注意到这种材料的结构稳定性得到了增强。因此，这种掺入不仅可以提高生物炭材料的导电性，而且还可以保持生物炭材料原有的多孔结构。另一方面，为了进一步提高碳材料的电化学性能，N修饰被频繁地使用。将氮引入碳质材料中，可以获得优异的导电性，可以快速传输电子，伪电容促进电化学性能，还可以改善缺陷官能团引起的材料润湿性。然而，研究N改性成生物炭-石墨烯基碳复合材料的报道较少。
2. 实验部分
2.1.材料的合成
n掺杂石墨烯包覆n掺杂碳化棉(NGC)的制备示意图如图1所示。首先,棉花蘸 5毫克/毫升石墨烯氧化物(去)解决方案通过超声波治疗 30分钟。而这一步所用的氧化石墨烯是由Hummer's method[27]合成的。然后通过冻干工艺得到了棉纤维/氧化石墨烯复合材料。然后,复合前驱放入管式炉和退火800 °C几个小时NH3的流动(40 SCCM)。温度从室温到800增加 10°C的升温速率 分钟−1°C。最后,合成样品取出后冷却下的基于"增大化现实"技术的流动。一系列NGC混合动力车是捏造的不同退火时间(2 h、3 h和4 h)在上面的步骤中,产生样品贴上NGC-2 NGC-3和NGC-4分别。为了比较，GC-3的制备方法与不含NH3的NGC-3类似。
2.2.材料特征
阶段识别是由X射线衍射仪(XRD、飞利浦X 'pert pro)铜Kαl 1.54056 和拉曼光谱(JY-HR800台,使用532 纳米波长掺钕钇铝石榴石激光器的激光光斑直径约600 海里)。采用扫描电镜(SEM，日立S-4800)和透射电镜(TEM, FEI Tecnai F30)对其形貌和成分进行了观察。Brunauer-Emmett-Teller(打赌)表面积是由氮(N2)吸附测量77 K(2020年尽快,微粒学)。详细的化学成分是由x射线光电子能谱(XPS,φ- 5702),使用Al Kα源(高压 = 1486.6 eV)。
2.3.电化学测量
电化学性能进行评估的循环伏安法(CV)、恒电流充放电测试(GCD),和电化学阻抗谱(EIS),这是由应用交流电电压与5 mV振幅频率范围从0.1到100 千赫 开路的潜力。所有电化学试验均采用电化学工作站(武汉科瑞特仪器有限公司CS310)在1M H2SO4水溶液中室温下三电极构型进行评价。参比电极和对电极饱和银/氯化银(Ag) / AgCl)电极和铂箔(1.0厘米 × 1.0厘米),分别。工作电极为经铂电极夹紧的棉源材料。
比电容由公式估算:
(1)Csp =我×ΔtV×m
Csp是特定的电容(F / g),我是放电电流(A),Δt放电时间(s), V是潜在的范围在放电(V),和m (g)的总质量的电极。
3.结果与讨论
图1a示意图展示了NGC纳米结构的实验过程。首先,棉纤维完全联系与氧化石墨烯溶液,然后通过冷冻干燥脱水过程,其次是在管式炉炭化,800年大气 °C下氨的流动。NGC-2、NGC-3 NGC-4由退火是棉/氧化石墨烯复合2、3和4 h。NH3有两个重要的作用。一是NH3具有蚀刻效应(C+NH3 = HCN+H2;C + 2 h2 = CH4)碳在高温下形成多孔结构,另一种是氨反应的官能团(-哦- o -)氧化石墨烯和棉花纤维表面引入氮掺杂(28、29)。在不引入NH3的情况下，采用NGC-3相同的方法得到GC-3。白棉经过石墨烯氧化封顶和冻干处理后变成粘土堆，经过热处理后变成黑色NGC-3，如图1b所示。用扫描电镜(SEM)对原棉和NGC-3进行了形貌分析。天然棉花纤维直径2 - 10 μm大多是扭曲和与其他纤维交织在一起(图1 c)。退火后 800°C, NGC-3几乎保留了原始形态相比原始的棉花和降低石墨烯氧化物更均匀涂层表面的纤维,显示在图1 d。从NGC-3的高分辨率TEM图像(图1e)可以看出，样品具有无序的石墨化性质，并且与几层石墨烯紧密相连。如图S1a和图b(支撑信息)所示，石墨烯包覆碳纤维具有明显的微观结构。NGCs的SAED衍射图如图S1 c(支撑信息)所示。很明显，衍射点属于石墨烯晶格。NGC-3的EDX谱如图S1d所示(支撑信息)，样品中没有引入其他元素。
4. 结论
综上所述，通过对棉纤维上组装的氧化石墨烯(GO)进行NH3热活化，制备了新型氮掺杂修饰碳化棉(NGC)。NH3热处理实现了棉线碳化、氧化石墨烯还原、全材料氮掺杂的三重效果。研究了不同时间NH3活化对结构和电化学性能的影响。结果表明,适用于NGC-3电极表现出优异的电化学性能,包括提高比电容291 F g−1 1.0 g−1和令人难以置信的长期循环稳定性(电容增加了大约11%,此前10000周期)。电化学性能的提高主要是由于NH3的蚀刻作用引起的比表面积高、氮掺杂引起的电导率和伪电容高、NG保护棉线结构、提高材料的热稳定性。此外,合成超级电容器展示了出色的灵活性和良好的电化学性能(能量密度5 W h 公斤−1 0.2 g−1)。为天然生物纤维柔性储能系统的研究提供了新的思路。
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