楼雄文教授Energ. Environ. Sci.：高电容性能空心粒子基氮掺杂碳纳米纤维的制备

【引言】

超级电容器，由于其功率高、充放电速度快以及循环稳定性好等特性，在便携式电子设备和电动汽车等清洁交通工具方面有不可替代的应用价值。超级电容器的性能主要取决于电极材料，因此，对电极材料的研究是目前能源方面的研究热点。具有轻质量、良好的导电性、稳定的化学性能以及可调控的形貌特性等优势的碳材料是目前主要研究的超级电容器电极材料之一。

在众多的碳材料中，一维中空结构的碳纳米材料具有以下优势：（1）比表面积大，保证了电解液与材料活性点的接触；（2）纳米粒子简化了离子/电子的传输路径；（3）一维结构具有良好的导电性。如果能够在此基础上对碳材料实现氮掺杂，改变材料的能带结构和表面状态，可以进一步提高其电化学性能。

【成果简介】

一维中空的碳纳米材料的制备常常采用模版法，工艺繁琐。如果要实现氮掺杂，则需要进行更复杂的化学反应。最近，新加坡南洋理工大学的楼雄文教授、Le Yu（共同通讯）等在Energy & Environmental Science上发表题为“Designed formation of hollow particle-based nitrogen-doped carbon nanofibers for high-performance supercapacitors”的文章。采用一种简单的静电纺丝和高温碳化方法，成功合成了空心粒子基氮掺杂碳纳米纤维（HPCNFs-N）。这种材料电容性能优异，具有高比电容（在1.0A g^-1下为307.2F g^-1，在50.0A g^-1下为193.4F g^-1），高的能量/功率密度（最大能量密度为10.96 W h kg^-1，功率密度为25 000 W kg^-1），且循环稳定性好，在10000次循环中仅有1.8％的电容损耗。

[致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Le Yu的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意!]

【图文导读】

图1. HPCNFs-N的合成示意图

通过静电纺丝法将沸石咪唑酸酯骨架（ZIF-8）纳米颗粒嵌入聚丙烯腈（PAN）纳米纤维中。在惰性气氛中900℃热处理后，ZIF-8和PAN分解转化成氮掺杂的碳，同时ZIF-8颗粒中的Zn²⁺还原成Zn并蒸发，形成多孔碳纳米纤维。

图2. PAN/ZIF-8复合纳米纤维的SEM和TEM表征

(a-c) PAN/ZIF-8复合纳米纤维的SEM图像。

(d) PAN/ZIF-8复合纳米纤维的TEM图像，ZIF-8均匀地分散在PAN纳米纤维上。

图3. HPCNFs-N的SEM、TEM和HRTEM表征

(a-d) HPCNFs-N的SEM图像，(a)中小图是折叠的HPCNFs-N样品，材料具有良好的柔韧性。

(e, f) HPCNFs-N的TEM图，HPCNFs-N相比退火前形貌没有发生明显的改变，且HPCNFs-N是由空心的纳米粒子组成的一维结构。

(g) HPCNFs-N的HRTEM图。

(h-k) C、N、O元素的元素mapping图。

图4. 不同退火温度(800℃、900℃、1000℃)下HPCNFs-N的XRD、EELS和XPS表征

(a) HPCNFs-N-800，HPCNFs-N，HPCNFs-N-1000的XRD图谱，证实了材料有小粒度的结晶碳组成。

(b) HPCNFs-N-800，HPCNFs-N，HPCNFs-N-1000的Raman图谱，材料I_D/I_G值随着碳化温度的升高而逐渐降低，说明材料石墨化的程度也随着碳化温度的升高而逐渐降低。

(c) HPCNFs-N的EELS图谱，样品中N的含量为8.34±1.1 at%。

(d) HPCNFs-N的N 1s峰。

图5. HPCNFs-N在H₂SO₄电解液中的电化学性能的表征

(a) HPCNFs-N在不同扫描速率下的循环伏安曲线，曲线呈近似矩形，表明材料的电容主要为双电层电容，曲线上的小凸起表明材料具有法拉第反应，其主要来源于HPCNFs-N表面上活性官能团。

(b) HPCNFs-N在不同电流密度下的恒电流充放电曲线。

(c) HPCNFs-N-800，HPCNFs-N，HPCNFs-N-1000和C-N在不同电流密度下的比电容值。

(d) HPCNFs-N的循环稳定性，10000圈充放电循环后电容可以保持98.2%。

【小结】

本文的研究者们采用静电纺丝和高温碳化的方法合成了具有一维空心结构的碳材料—HPCNFs-N。这种材料大的比表面积和良好的离子/电子传输性能，使得以HPCNFs-N为电极组装的超级电容器具有优异的电容性能。这种方法为制备碳电极材料，尤其是特定形貌以及掺杂的碳材料提供了新思路。

文献链接：Designed formation of hollow particle-based nitrogen-doped carbon nanofibers for high-performance supercapacitors（Energ. Environ. Sci., 2017，DOI：10.1039/C7EE00488E）

本文由材料人编辑部刘瑜琳编译，谷雨星审核，点我加入材料人编辑部。

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