氟氮共掺杂多孔碳纳米片的制备及其储钾性能研究

摘要：

钾离子电容器是一种新型的电化学储能器件,碳基材料被认为是最有前途的储钾候选材料之一.然而,K+半径较大使得迁移速率缓慢,脱嵌过程中材料的结构易破坏,导致性能显著下降.因此,开发出低成本的碳材料来适应K+扩散的热力学与动力学需求,已成为当前发展的瓶颈.煤沥青是煤焦油经蒸馏提取液体馏分后得到的残余物,它的组成主要为稠环芳烃,具有高的含碳量、可塑性好、资源集中、价格低廉等显著优点,是一种优质的碳基材料前驱体.鉴于此,本工作采用煤沥青作为碳源、聚四氟乙烯为氟源,氯化钠为模板剂,通过直接高温碳化的策略制备了氟氮共掺杂的多孔碳纳米片(FNCPC).研究表明,纳米片层的结构设计有效缩短了离子的传输路径,F、N共掺杂拓宽了碳的层间距,缓解了体积膨胀问题,并且形成更多的表面缺陷,可为K+的存储提供更多的反应活性位点.此外,电化学动力学分析和密度泛函理论(DFT)表明,FNCPC具备显著的赝电容特性和强的对K吸附能.得益于结构和化学性质的协同优化,FNCPC负极展现出优异的储钾能力(2A·g-1电流密度下具有212.8mAh·g-1的比容量)和循环稳定性.进一步将商业化活性炭(AC)为正极,FNCPC为负极构筑了钾离子电容器(AC//FNCPC),该器件能实现最大的能量密度为87.5 Wh·kg-1,并且在循环3000次后具有86.1％的容量保持率,展现出广阔的应用前景.

关键词：钾离子电容器、碳纳米片、煤沥青、氟氮共掺杂、吸附能

所属期刊栏目：81

分类号：O646.54;TB383;TM242

资助基金：国家自然科学基金;国家自然科学基金;国家自然科学基金;江苏省自然科学基金;中国博士后科学基金

在线出版日期：2023-06-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共9页

页码：319-327