负载β-环糊精的萘醌包合物作为导电碳球体，用于高性能固态电容器和LiPF?超级电容器

《Journal of Energy Storage》：β-cyclodextrin-loaded naphthoquinone inclusion complexes as conductive carbon spheres for high-performance solid-state and LiPF? supercapacitors

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摘要

随着储能技术的不断发展，储能方式已经从传统的电池演变为超级电容器，这些超级电容器正在塑造现代的能源解决方案。在这项研究中，我们通过将萘醌（NQ）封装到β-环糊精（β-CD）中，利用超分子自组装技术合成了导电碳球。理论和光谱研究证实了这种封装效果。随后，该复合物经过碳化处理，并通过结构和形态学研究进行了表征。电化学实验在-0.8至0 V的电解质窗口下进行，结果显示C_(β-CD/NQ)具有774 F/g的比电容，并且在10,000次循环后仍保持了88%的电容保持率。此外，还在PVA-KOH固体电解质中测试了C_(β-CD)和C_(β-CD/NQ)作为电极的性能。C_(β-CD/NQ)在1000 W/kg的功率密度下展现出49.7 Wh/kg的能量密度，这表明了该材料的实际应用潜力。通过LED照明测试评估了其实时性能，并进行了相关报道。高性能的C_(β-CD/NQ)还被用于非水体系的R-2032纽扣电池，该电池采用LiPF₆作为电解质。该装置具有2.6 V的宽工作电位窗口、较低的电阻率，并在1300 W/kg的功率密度下提供41.5 Wh/kg的能量密度。这些结果表明，C_β-CD/NQ碳球是下一代储能设备的有效电极材料。

引言

近年来，化石燃料的枯竭推动了高能量储能系统的发展。超级电容器（SCs）作为一种储能系统，具有较高的能量密度、优异的电荷传输性能以及快速的充放电特性[1]，但其缺点是能量密度较低且稳定性一般[2]。超级电容器材料可分为电双层电容器（EDLCs）、赝电容器和混合材料。如今，由于性能适中且成本相对较低，使用碳纳米管[3],[4]、碳纳米纤维[5],[6]、碳球[7],[8]、导电聚合物以及来自生物质的活性炭[9],[10]等EDLC材料的情况比金属氧化物[12]、卤化物[13]、钨酸盐[14]等赝电容器材料更为普遍。本文介绍了一种新的合成策略，即使用环糊精封装有机醌衍生物制备活性炭，其成本与赝电容器材料相当，从而实现了总体成本效益的提高、更好的电荷存储性能和优异的稳定性[15]。

醌衍生物具有独特的共轭二酮结构，其中两个羰基（C=O）取代了芳香环中的-CH=键，位于1,4-（对位）或1,2-（邻位），从而破坏了芳香环的稳定性，形成了包含α, β-不饱和羰基的扩展共轭π体系[16],[17]。醌结构具有强吸电子特性，这有助于通过共振作用传递和稳定还原态的羟基醌（OH^?）。芳香体系中C和C>O键的交替排列促进了分子内的电荷离域，这对于快速且可逆的氧化还原循环至关重要。在多环醌类物质（如1,4-萘醌（NQ）和蒽醌）中，融合的芳香结构进一步增强了共轭效应，提高了电子迁移率，并提供了多个氧化还原活性位点。这种优越的结构特性以及可逆的醌/羟基醌转化使得超级电容器能够实现快速的表面和近表面电子相互作用，从而提高了电容。平坦的π-共轭结构还增强了与碳材料的相互作用，提高了电子导电性和电极稳定性。醌的固有分子特性使其具有高氧化还原活性、快速的电荷传输能力，并适合用于设计高性能的超级电容器材料。经过碳化处理后，会失去许多有机分子，因此需要利用超分子化学方法对有机醌衍生物进行封装。

章节摘要

实验部分

合成过程、表征技术和制造方法详见补充材料。

计算研究

所有分子结构都经过了初步优化，以确保几何稳定性，优化后的几何结构如图S1所示。随后进行了分子对接模拟，以确定NQ在β-CD腔内的最佳取向。对接结果清楚地显示了最可能的封装方式（见图1），其结合能值记录在表1中。在所有取向中，C₂取向的表现最为理想。

结论

。

通过NMR光谱确认了NQ和β-CD的纯度，光谱显示出了特征明显的峰，表明其结构明确。DFT计算和光学分析初步验证了封装效果，发现吸光度和荧光强度都有所增加，而Benesi-Hildebrand图谱证实了1:1的结合比。该超分子包合物是通过溶剂蒸发法合成的，其结构通过FT-IR进行了验证。

CRediT作者贡献声明

**Nithesh Kumar Krishnan**：撰写 – 审查与编辑、原始草稿撰写、软件开发、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。**Harini Bhagyaraj**：数据分析。**Arun Samy**：数据分析。**Murali Krishnan Mani**：软件开发、资源准备。**Esakkimuthu Shanmugasundaram**：撰写 – 审查与编辑、数据分析、项目监督。**Na'’il Saleh**：撰写 – 审查与编辑、结果验证、项目管理、实验研究。

伦理批准

本研究中未使用人类或动物。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

Stalin Thambusamy博士感谢DST-FIST对项目编号SR/FST/CS-1/2020/143(C)下的表征工作提供的财政支持。

Nithesh Kumar Krishnan | Harini Bhagyaraj | Arun Samy | Murali Krishnan Mani | Esakkimuthu Shanmugasundaram | Na'’il Saleh | Stalin Thambusamy工业化学系，阿拉加帕大学，卡拉伊库迪，630 003，泰米尔纳德邦，印度```