N/P/O/S雜原子摻雜多孔碳奈米纖維墊及其在柔性電化學超級電容器中的應用
DOI: 10.1021/acsaem.1c01790
在不損失重量電容和迴圈效能的情況下實現碳基電極材料的高體積電容以滿足下一代超級電容器的需求仍然是一個巨大的挑戰。在這項工作中，研究者透過靜電紡絲和碳化兩步工藝製備了四種雜原子（N、P、O和S）摻雜的碳奈米纖維（CNF）墊。透過改變聚丙烯腈（PAN）前體溶液中l-半胱氨酸與五氧化二鉀的質量比，優化了所製備的摻雜CNFs的表面孔隙率、質量密度和摻雜密度。利用各種光譜技術系統地研究了所製備的NPOS-CNFs碳晶格中不同雜原子物種的結構。最佳化的NPOS-CNF 12奈米纖維由l-半胱氨酸/P2O5質量比為1:2的PAN前驅體制備而成，其具有高比表面積（502.5m2/g）、高介孔體積（1.561cm3/g）、高質量密度（1.07g/cm3）和最高含量（10.34atom%）的活性雜原子物種，如吡咯N、吡啶N、C=O、C-S和C3-PO物種。由於這些獨特的特性，NPOS-CNF 12在6M KOH電解液中於0.2A/g電流密度下顯示出625.8F/cm3的超高體積電容，以及較高的重量電容（584.8F/g）和良好的迴圈穩定性（10000次迴圈後的電容保留率為93.5%）。組裝後，NPOS-CNF 12//NPOS-CNF 12超級電容器在1M Na2SO4電解質中於105W/kg功率密度下的重量能量密度高達102.6Wh/kg，寬電位視窗為0-1.8V。
圖1.（a）原始CNF墊和不同配方NPOS-CNF墊的拉曼光譜和（b）XRD圖譜。（c）不同摻雜碳奈米纖維墊的FTIR光譜。
圖2.（a）XPS全掃描光譜。（b）N1s、（c）P2p、（d）S2p和（e）O1s的高解析度光譜以及所製備NPOS-CNF 12墊的擬合峰。（f）摻雜碳骨架中存在的N、P、O和S物種的示意圖模型
圖3.原始CNF墊（a）、NPOS-CNF 11墊（b）、NPOS-CNF 12墊（c，d）和NPOS-CNF 13墊（e，f）的SEM影象。插圖顯示了相應CNFs的冷凍斷裂表面和纖維表面。NPOS-CNF 12的TEM影象以及NPOS-CNF 12中C、N、O、P和S的元素對映（g，h）。
圖4.（a）原始CNF墊和不同配方NPOS-CNFs的氮氣吸附/解吸等溫線，（b）孔徑分佈曲線。
圖5.原始CNF、鎳箔和不同配方NPOS-CNFs在6M KOH電解質中的電化學效能：（a）掃描速率為0.2mV/s時的CV曲線；（b）NPOS-CNF 12和（c）NPOS-CNF 13在不同掃描速率下的CV曲線；（d）電流密度為0.2A/g時的GCD曲線；（e）NPOS-CNF 12和（f）NPOS-CNF 13在不同電流密度下的GCD曲線。
圖6.原始CNF和不同配方NPOS-CNFs的（a）比電容和（b）體積電容隨電流密度的變化，（c）透過Dunn方法分析NPOS-CNF 12在10mV/s時的電容貢獻。
圖7.（a）不同配方NPOS-CNFs在1A/g下的迴圈效能。（b）NPOS-CNF 12電極在不同彎曲角度下的CV曲線。（c）原始CNF和不同NPOS-CNFs的EIS曲線以及等效電路模型。（d）NPOS-CNF 12電極在不同充放電迴圈期間的EIS曲線。
圖8.NPOS-CNF//NPOS-CNF 12超級電容器在Na2SO4電解質中的電化學效能：（a）不同電位視窗下的CV曲線；（b）不同掃描速率下的CV曲線；（c）不同電流密度下的GCD曲線；（d）重量和體積電容隨電流密度的變化。
圖9.（a）不同配方NPOS-CNFs在KOH電解質中的Ragone圖，以及（b）不同電解質中NPOS-CNF//NPOS-CNF 12超級電容器與之前報道的基於各種摻雜碳電極的對稱超級電容器的Ragone比較。
圖10.純CNF和不同NPOS-CNF墊的應力應變行為。
