以g-C3N4/富N碳纤维复合材料设计高性能钾离子混合电容器

    该团队制备了一种高含氮量 (19.78 at%) 的碳纳米纤维与g-C3N4复合材料。

    该材料作为钾电池 (PIBs) 的阳极，具有优异的放电容量 (在0.05 A g−1下，可达391 mAh g−1) 、速率容量(在2A g−1下，可达到141 mAh g−1)、循环性能(在1Ag−1下，201mAh g−1循环超过3000次)。

    此外，它可在0°C下提供132 mAh g−1的放电容量。

    作为带有活性碳阴极的钾离子混合电容器 (PIHC) 设备的电池阳极，它可提供良好的能量/功率密度 (62 Wh kg−1/2102 W kg−1) 以及高可逆容量 (106 mAh g−1在1A g−1下)。

    这项工作为未来PIHC的实际应用提供了新的途径。

    文章简读作为一种可逆储能装置，锂/钠/钾电池 (LIBs/SIBs/ PIBs) 通过化学能与电能的相互转换，可以实现高效、快速的能量存储。

    虽然LIBs具有良好的能量密度，但因其缺乏良好的功率密度和可靠的长周期稳定性。

    对比之下，混合超级电容器 (HSCs) 因由电池电极和电容电极组成，比LIBs能获得更高的能量和功率密度以及充电速度。

    因此，为了提高器件的能量和功率密度，混合超级电容器系统在大规模能源领域受到了很大的关注，例如锂离子混合超级电容器 (Li-HSCs)、钠离子混合超级电容器 (Na-HSCs) 和钾离子混合电容器 (PIHC)。

    与此同时，自然界中金属钾储存量约是金属锂的880倍，且钾的标准电极电位低于钠和锂。

    而且钾离子的路易斯酸较弱，使得溶解后的钾离子在电解质中的迁移速度更快。

    此外，与锂基和钠基电解质相比，钾基电解质阳极材料表面的副反应较少。

    然而，K+的直径比Li+/ Na+更大，封闭间隙电极的固体石墨碳扩散较差，会导致碳基电极材料的反应动力和电导率降低。

    因此需要寻找合适的材料来改善K+扩散/反应动力，从而提高速率能力和循环性能。

    近些年的研究表示，改性碳基阳极材料表面官能团，并掺杂其他的元素 (例如N、P、和S) 可以提高其电化学性能，且氮的含量对所得材料的结构和活性有很大的影响。

    石墨氮化碳 (g-C3N4) 是一种易于膨胀，成本低，在不同环境中化学稳定性好且含氮量高和活性位点丰富的共轭聚合物。

    但g-C3N4的导电性较差，且不可逆的包埋反应导致循环容量较差。

    因此，为了提高g-C3N4的导电性和可循环性，需要对其进行修饰。

    本研究以硫脲为原料，采用简单的静电纺丝和煅烧工艺制备了含氮量高的碳纳米纤维和g-C3N4复合材料(C3N4@NCNF-600)。

    硫脲可分解为g-C3N4，嵌入碳纤维，大大增加了碳纤维中氮的含量，并使碳纤维中吡咯N和吡啶N的含量总和增加。

    C3N4@NCNF-600作为PIBs的阳极，具有优异的可逆容量 (在0.05 A g−1下，可达391 mAh g−1) 和较长的循环性能 (在1A g−1下，201 mAh g−1循环超过3000次)。

    同时，C3N4@NCNF-600作为PIHC的阳极，具有良好的能量密度(62 Wh kg−1)、功率密度 (2102 Wkg−1) 和较长的循环稳定性。

    这项工作为未来PIHC的实际应用提供了有益参考。

    图1. 示意图1)C3N4@NCNF复合材料形成过程; a-c) C3N4@NCNF−600的SEM图; d-f)C3N4@NCNF−600的TEM和HRTEM图像; g) C3N4@NCNF−600TEM图明确显示C、N、O元素。

    图2. C3N4@NCNF复合材料的表征。

    a) C3N4@NCNF的XRD图谱; b) C3N4@NCNF的拉曼光谱; c) C3N4@NCNF的XPS扫描图谱; d) C3N4@NCNF-600的N 1s XPS图谱; e) 不同材料的N分布; F)不同材料中不同类型的氮含量; g) C3N4@NCNF的配置示意图。

    图3. 示意图2)双碳PIHCs C3N4@NCNF-600//AC电化学性能示意图; a)半电池中C3N4@NCNF-600和AC电极的CV曲线(上)，C3N4@NCNF-600//ACPIHCs(下); b)倍率性能; c)不同电流密度的GCD曲线; d)与其他工作比较的Ragone图; e)5A g−1的循环稳定性(插图是由一个组装的C3N4@NCNF-600//ACPIHCs供电的LED的数码照片)。