面向高性能超级电容器的稻草/木质素磺酸钠基层状碳材料界面工程

《Journal of Energy Storage》：Interfacial engineering of rice straw/sodium lignosulfonate-based lamellar carbon materials for high-performance supercapacitors

　　N/S共掺杂的层状碳通过牺牲模板法在稻草碳表面制备。实验和理论计算均表明该碳材料具有良好的电子转移路径。该层状碳具有351 F g?1的高比电容和75%的电容保持率。基于该碳材料的对称超级电容器在10 A g?1下实现了100,000次循环性能。**引言**近年来，随着便携式电子设备和特殊环境下智能设备市场的扩展，迫切需要具有长持续时间、快速充放电、高能量密度和功率密度的储能器件。超级电容器以其高功率密度和长循环性能而脱颖而出。然而，低能量密度限制了超级电容器的广泛应用。探索新型活性材料和电极结构是开发高性能超级电容器的两种可行策略[1-5]。从活性材料开发的角度来看，杂原子掺杂的类石墨烯材料凭借其二维平面结构、高比表面和导电性从碳材料中脱颖而出[6]。杂原子掺杂可以通过改变赝电容贡献过程的电荷密度和非对称自旋密度来大大提高碳材料的电化学性能[7]。例如，氮掺杂使电子供体增加电荷迁移率并为碳材料提供额外的电化学活性位点[8]。富电子环境中的硫元素也被认为是碳材料中理想的掺杂元素，因为增强了极化以及与sp2杂化碳原子的P轨道重叠[9]。利用二维结构与杂原子掺杂之间的协同效应，研究人员开发了大量不同的杂原子掺杂类石墨烯材料，但它们通常受限于昂贵的原料和复杂的合成路线，难以实现大规模生产和实际应用[10-15]。从经济和环保方面来看，通过高效简单的合成工艺和低成本可再生原料合理设计杂原子掺杂石墨烯基碳材料将更有利于大规模储能应用。除了开发具有更高电化学性能的活性材料外，实现高质量的负载电极也是提高总能量密度的可行途径，可以通过增加活性材料负载比例来抵消设备中非储能组件的负面影响[16]。Li等人[17]报道了一种表面功能化的3D打印石墨烯气凝胶基超级电容器，其能量密度在12.8 mg cm?2的质量负载下可达0.65 mWh cm?2。Pan等人[1]报道了碳纳米线与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)和聚(苯乙烯磺酸)的交替沉积来获得电极，基于该电极的超级电容器在15 mg cm?2的质量负载下达到了0.22 mWh cm?2的能量密度。在实际应用中，主要储能活性物质的负载通常大于10 mg cm?2[18]。然而，增加负载会导致机械稳定性严重下降，这主要是由于增加的电阻、减小的可达比表面积和受阻的离子传输路径导致电子/离子传输动力学恶化[19-22]。因此，材料结构的优化对于电极材料设计更为重要。因此，本研究提出利用生物质原料结合电极结构工程来开发高性能超级电容器的电活性材料。首先，以三聚氰胺、木质素磺酸钠和稻草粉为原料，通过简单高效的一锅牺牲模板法成功合成了氮掺杂双碳复合材料。然后，利用KOH的造孔效应构建稻草/木质素磺酸钠基复合分级多孔碳材料，具有高比表面积。为了实现更优化的电活性材料结构开发，本研究在稻草碳表面构建了更高石墨化程度的掺杂碳界面，形成碳覆盖碳的生物质结构以实现更高效的电子转移。此外，生物质结构碳的大缺口结构防止其被高度石墨化的碳完全包裹，从而保持了电极孔隙率以供电解质迁移。因此，成功实现了具有超高比电容和倍率性能以及罕见的超长充放电循环性能的碳电极材料。**稻草基碳的制备**稻草粉作为原料放入管式炉中，以10 °C min?1的升温速率加热至400 °C保持1 h，获得预碳化稻草基碳。然后将预碳化稻草基碳与KOH按2:5的质量比混合，以相同的升温速率碳化至750 °C保持2 h，获得稻草基碳。作为对比，预碳化稻草基碳与KOH按2:5的质量比混合...**氮、硫共掺杂复合碳的合成**通过三聚氰胺、木质素磺酸钠和稻草混合原料的裂解，采用g-C?N?牺牲模板法合成了具有高石墨化程度的氮、硫共掺杂复合碳结构（图1）。为验证牺牲模板法的可行性，采用热重分析（TGA）测试了混合原料的裂解行为（图2a）。三聚氰胺作为模板和氮源在402 °C形成g-C?N?。大多数...**结论**本研究提出了一种有效的策略，通过结合生物质利用与电极结构工程来开发具有优异电化学性能的电极活性材料。使用低成本的稻草、三聚氰胺和可再生的木质素磺酸钠作为混合原料。通过简单的一锅牺牲模板法结合KOH协同造孔，构建了稻草/木质素磺酸钠基复合分级多孔碳材料，具有...**CRediT作者贡献声明****刘毅航：** 撰写—原始草稿。**柏秋红：** 撰写—审阅与编辑、经费获取。**丰新宜：** 调查分析。**何小亨：** 形式分析。**朱鹏涛：** 监督指导。**王彦：** 形式分析。**申业华：** 可视化、项目管理、经费获取。**利益冲突声明**作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本工作得到国家自然科学基金（编号：U24A20553，22208265）、陕西省重点研发计划（2022KXJ-148）、国家林业局杏工程技术研究中心和榆林沙漠植物资源重点实验室的资助。刘毅航|柏秋红|丰新宜|何小亨|朱鹏涛|王彦|申业华