1. 首页
  2. 电容器

氮掺杂石墨炔用于高性能电化学电极

石墨炔(GDY,Graphdiyne)是一种以sp、sp2杂化态形成的新型碳同素异形体,自2010年首次制备以来吸引了广泛的兴趣,并取得了实质性的进展。与采用高温、低效、高成本的方法来制备常见sp2碳材料(石墨烯,碳纳米管)相比,液相温和温度条件下石墨炔的制备具有明显优势,有望解决在锂离子电池,超级电容器,光伏器件以及催化剂方面存在的科学问题。作为一种具有良好理论性能的人造碳材料,与常见全碳材料相似,杂原子掺杂可以进一步改善电化学设备性能。二维石墨炔性能优异,但是在一些必要的应用上,还没显示出更强的可编辑性;与常见的sp2碳材料一样,在控制杂原子含量、掺杂构型和识别杂原子的活性作用面临挑战

对此,中国科学院李玉良教授课题组通过定制GDY材料上N掺杂构型、N含量和微孔结构等使其具有良好可编辑性。在120℃空气中无溶剂和金属催化剂条件下,成功地将单N和三嗪类N团簇引入到GDY中。制备所得GDY具有较高的比表面积和良好的3D连续性,在双电极超级电容器中表现出高能量密度(8.66Wh/kg)和功率密度(19.3kW/kg)。此外,这种材料在催化氧还原反应(ORR)方面也表现出良好性能。该成果发表在国际知名期刊Nano Energy上(影响因子:12.26)。

氮掺杂石墨炔用于高性能电化学电极

图1.N0-DGY,N1-GDY和N3-GDY结构和制备示意图。

氮掺杂石墨炔用于高性能电化学电极

图2.(a,b)N0-GDY,(c,d)N1-GDY和(e,f)N3-GDY低和高倍率的SEM图像; b),d)和f)中插图表示粒度分布。

氮掺杂石墨炔用于高性能电化学电极

图3.(a,b)GDY,(d,e)N1-GDY和(h,i)N3-GDY的TEM和HRTEM图。N1-GDY(f,g)和N3-GDY(j,k)中C、 N的EDX元素映射。

氮掺杂石墨炔用于高性能电化学电极

图4.在7.0M KOH水溶液电解质中的超级电容器性能:a)500mV /s时循环伏安曲线; b)恒流充/放电曲线c)不同电流密度下的比电容;d)在5A/g的充/放电电流密度下的电容保持。

通过相关的表征分析,N掺杂含量对电容性能有明显影响。样品中适当引入吡啶N,电容性能达到最大值,如N1-GDY具有相对优异的电化学性能。而N元素含量为16.55%的N3-GDY样品,电容下降了约50%。结果表明,大量的吡啶N-掺杂不利于GDYs对快速充/放电行为的响应,因为这种结构的存在抑制了电子非定域化。此外,N0-GDY和N1-GDY都表现出优良的电化学性能,能量密度最高为8.66(N0-GDY)和8.55 Wh/kg(N1 GDY),功率密度最高为19.3(N0-GDY)和18.7kW/kg(N1-GDY),比许多报道的在双电极设备上的sp2碳材料性能更好,归因于材料的高表面积和高孔隙率

氮掺杂石墨炔用于高性能电化学电极

图5.a)Nyquist图; b)标准电容与频率的函数;c)波特图;d)Ragone图。

 最后作者也研究了N掺杂GDY在氧还原反应(ORR)中的应用,结果表明N掺杂提升了电荷转移过程从而改善催化反应,可替代贵金属作为非金属氧还原反应(ORR)催化剂。

氮掺杂石墨炔用于高性能电化学电极

图6.a)CV曲线,b)LSV曲线;c)GDYs电极上每个O2的电子转移数量。

材料的制备过程(N0-DGY,N1-GDY和N3-GDY的制备)

将前驱体(六[(三甲基甲硅烷基)乙炔基]苯,胺五[(三甲基甲硅烷基)乙炔基]吡啶,氰脲[(三甲硅烷基)乙炔基])分别溶于含有四丁基氟化铵(0.8ml)的四氢呋喃(30ml)溶液中,在0℃下搅拌10min。然后用乙醚稀释溶液,并用盐水洗涤,最后用无水Na2SO4干燥。接着将溶剂真空除去,得到灰白色粉末。然后将粉末缓慢转移到空气中的120℃预热的锥形瓶中,进行几秒钟内发生轻微爆炸的超快速反应,得到深黑色的GDY。所得产物无需进一步处理,可以直接表征。

Hong Shang, Zicheng Zuo, Haiyan Zheng, Kuo Li, Zeyi Tu, Yuanping Yi, Huibiao Liu, Yongjun Li, Yuliang Li, N-doped Graphdiyne for High-Performance Electrochemical Electrodes, Nano Energy, 2017 , DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.072

始发于微信公众号: 能源学人 能源学人 微信号 nyxr2016 功能介绍 能源学人致力于打造最具影响力的知识媒体平台! “能”(Energy)涉及化学、生物、信息等与能相关的前沿科技领域; “源”(Nature)即通过现象探究事物本质,科学化深层次解析问题。

本文由能源学人编辑energist发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/8674.html

参考文献:

联系我们

15521390112

邮件:nyxrtg@163.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code