柔性超級電容器 學習翻譯
氨化輔助石墨烯修飾生物纖維在柔性超級電容器中的熱活化
摘要
在此，我們展示了一種可擴展的合成路線，通過氨氣輔助熱活化工藝結合冷凍乾燥技術來開發氮摻雜石墨烯修飾碳化棉(NGCs)。研究發現，氮摻雜石墨烯(NG)納米片與炭化棉骨架纖維具有良好的分散性和交聯性。氨在熱處理過程中的輔助不僅有利於棉花的炭化和氧化石墨烯的還原，而且可以使氮元素粘結成整個碳複合材料。由於摻雜N官能團之間的協同效應和高導電交聯網絡,ngc電極表現出高電容(291 F g −1 1.0 g−1)和高循環穩定性(10000年之後幾乎沒有衰減週期)。此外,一種輕量級的,靈活的對稱超級電容器組裝,提供高能量密度(5 W h 公斤−1 0.2 g−1)和一個優秀的彎曲穩定,這表明其潛在的應用在可穿戴的能源存儲設備。
1.介紹
柔性超級電容器(FSCs)被認為是柔性電子器件最有前途的電源之一。為了滿足FSCs電極材料的電化學要求，碳納米材料以其獨特的孔徑可調、導電性好、化學穩定性好等特點成為石墨烯、碳納米管、碳纖維、活性炭、介孔碳等成為主要的選擇。近年來，一種天然生物炭材料以其纖維狀的微觀結構、環保、低成本、天然丰度等特點在儲能器件領域引起了廣泛的關注。遺憾的是，大多數生物炭材料往往結構穩定性差，導電性相對不足。
為了解決這些問題，有人提出將碳納米管(CNTs)、石墨烯等高導電性、柔韌性強的組分摻入生物碳材料中。例如，Ma's group採用單步化學氣相沉積法制備了高度互聯碳化棉紗上的無序CNTs，並獲得了良好的導電性。同樣，Zhang和他的同事通過"浸漬和凍幹"技術製備了棉花/石墨烯複合材料，並注意到這種材料的結構穩定性得到了增強。因此，這種摻入不僅可以提高生物炭材料的導電性，而且還可以保持生物炭材料原有的多孔結構。另一方面，為了進一步提高碳材料的電化學性能，N修飾被頻繁地使用。將氮引入碳質材料中，可以獲得優異的導電性，可以快速傳輸電子，偽電容促進電化學性能，還可以改善缺陷官能團引起的材料潤溼性。然而，研究N改性成生物炭-石墨烯基碳複合材料的報道較少。
2. 實驗部分
2.1.材料的合成
n摻雜石墨烯包覆n摻雜碳化棉(NGC)的製備示意圖如圖1所示。首先,棉花蘸 5毫克/毫升石墨烯氧化物(去)解決方案通過超聲波治療 30分鐘。而這一步所用的氧化石墨烯是由Hummer's method[27]合成的。然後通過凍幹工藝得到了棉纖維/氧化石墨烯複合材料。然後,複合前驅放入管式爐和退火800 °C幾個小時NH3的流動(40 SCCM)。溫度從室溫到800增加 10°C的升溫速率 分鐘−1°C。最後,合成樣品取出後冷卻下的基於"增大化現實"技術的流動。一系列NGC混合動力車是捏造的不同退火時間(2 h、3 h和4 h)在上面的步驟中,產生樣品貼上NGC-2 NGC-3和NGC-4分別。為了比較，GC-3的製備方法與不含NH3的NGC-3類似。
2.2.材料特徵
階段識別是由X射線衍射儀(XRD、飛利浦X 'pert pro)銅Kαl 1.54056 和拉曼光譜(JY-HR800臺,使用532 納米波長摻釹釔鋁石榴石激光器的激光光斑直徑約600 海里)。採用掃描電鏡(SEM，日立S-4800)和透射電鏡(TEM, FEI Tecnai F30)對其形貌和成分進行了觀察。Brunauer-Emmett-Teller(打賭)表面積是由氮(N2)吸附測量77 K(2020年儘快,微粒學)。詳細的化學成分是由x射線光電子能譜(XPS,φ- 5702),使用Al Kα源(高壓 = 1486.6 eV)。
2.3.電化學測量
電化學性能進行評估的循環伏安法(CV)、恆電流充放電測試(GCD),和電化學阻抗譜(EIS),這是由應用交流電電壓與5 mV振幅頻率範圍從0.1到100 千赫 開路的潛力。所有電化學試驗均採用電化學工作站(武漢科瑞特儀器有限公司CS310)在1M H2SO4水溶液中室溫下三電極構型進行評價。參比電極和對電極飽和銀/氯化銀(Ag) / AgCl)電極和鉑箔(1.0釐米 × 1.0釐米),分別。工作電極為經鉑電極夾緊的棉源材料。
比電容由公式估算:
(1)Csp =我×ΔtV×m
Csp是特定的電容(F / g),我是放電電流(A),Δt放電時間(s), V是潛在的範圍在放電(V),和m (g)的總質量的電極。
3.結果與討論
圖1a示意圖展示了NGC納米結構的實驗過程。首先,棉纖維完全聯繫與氧化石墨烯溶液,然後通過冷凍乾燥脫水過程,其次是在管式爐炭化,800年大氣 °C下氨的流動。NGC-2、NGC-3 NGC-4由退火是棉/氧化石墨烯複合2、3和4 h。NH3有兩個重要的作用。一是NH3具有蝕刻效應(C+NH3 = HCN+H2;C + 2 h2 = CH4)碳在高溫下形成多孔結構,另一種是氨反應的官能團(-哦- o -)氧化石墨烯和棉花纖維表面引入氮摻雜(28、29)。在不引入NH3的情況下，採用NGC-3相同的方法得到GC-3。白棉經過石墨烯氧化封頂和凍幹處理後變成粘土堆，經過熱處理後變成黑色NGC-3，如圖1b所示。用掃描電鏡(SEM)對原棉和NGC-3進行了形貌分析。天然棉花纖維直徑2 - 10 μm大多是扭曲和與其他纖維交織在一起(圖1 c)。退火後 800°C, NGC-3幾乎保留了原始形態相比原始的棉花和降低石墨烯氧化物更均勻塗層表面的纖維,顯示在圖1 d。從NGC-3的高分辨率TEM圖像(圖1e)可以看出，樣品具有無序的石墨化性質，並且與幾層石墨烯緊密相連。如圖S1a和圖b(支撐信息)所示，石墨烯包覆碳纖維具有明顯的微觀結構。NGCs的SAED衍射圖如圖S1 c(支撐信息)所示。很明顯，衍射點屬於石墨烯晶格。NGC-3的EDX譜如圖S1d所示(支撐信息)，樣品中沒有引入其他元素。
4. 結論
綜上所述，通過對棉纖維上組裝的氧化石墨烯(GO)進行NH3熱活化，製備了新型氮摻雜修飾碳化棉(NGC)。NH3熱處理實現了棉線碳化、氧化石墨烯還原、全材料氮摻雜的三重效果。研究了不同時間NH3活化對結構和電化學性能的影響。結果表明,適用於NGC-3電極表現出優異的電化學性能,包括提高比電容291 F g−1 1.0 g−1和令人難以置信的長期循環穩定性(電容增加了大約11%,此前10000週期)。電化學性能的提高主要是由於NH3的蝕刻作用引起的比表面積高、氮摻雜引起的電導率和偽電容高、NG保護棉線結構、提高材料的熱穩定性。此外,合成超級電容器展示了出色的靈活性和良好的電化學性能(能量密度5 W h 公斤−1 0.2 g−1)。為天然生物纖維柔性儲能系統的研究提供了新的思路。
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