四川大學：N、S共摻雜的支鏈碳納米管，用於超級電容器和鋰電池

成果簡介

碳基電極的孔結構和表面雜原子修飾的合理設計對於高性能儲能至關重要。本文，化學工程學院四川大學吉俊懿教授團隊在《Carbon》期刊發表名為「N, S co-doped branched carbon nanotubes with hierarchical porous structure and electron/ion transfer pathways for supercapacitors and lithium-ion batteries」的論文，研究通過簡單的軟模板聚合和活化製備了基於聚吡咯的具有分級中空和主幹分支納米管結構的N、S共摻雜多孔碳納米管。具有均勻分布的活性位點的3D互連結構可以形成緊密的接觸界面和互連的通道，從而促進電子轉移和電解質的滲透。 

因此，N、S 共摻雜的支鏈碳具有較大的比電容（ 0.5 A g -1時為420.6 F g -1 ）、良好的倍率性能（  30 A g -1 時為287.2 F g -1) 和超級電容器中出色的循環穩定性（12000 次循環後保持 99.32% 的電容）。此外，這種N、S共摻雜的支鏈碳納米管作為LIBs負極還表現出高比容量（905 mAh g -1  at 0.1 A g -1）和倍率性能（461 mAh g -1  at 12.8 A g -1 ） . 此外，由aNSC-2.5//LiFePO 4配置的全LIBs電池可以實現2112 Wh kg -1陽極（424 Wh kg -1陰極）的能量密度。這種簡單、可控且易於擴展的多孔碳製造策略可應用於許多實際領域。

圖文導讀

圖1。活化的 N、S 共摻雜多孔碳納米管的合成過程示意圖

圖2。(a) CTAB調控PPy納米管分支結構的機理示意圖；(b) CP 的 SEM 圖像；(c) CPN-0；(d) CPN-0.5；(e) CPN-1；(f) CPN-2.5；(g) CPN-5。

圖3。CPN-2.5NSC-2.5和aNSC-2.5的XPS (a) ，(b) C1s，(c) N1s 和 (d) S2p 光譜

圖4。(a) XRD 圖；(b) 拉曼光譜；(c) 氮吸附/解吸等溫線和 (d) CPN-2.5、NSC-2.5 和 aNSC-2.5 複合材料的孔徑分布曲線。

圖5。所製備樣品的超級電容器性能

圖6。LIB半電池中電極的電化學性質

小結

總之，報告了一種簡單但有效的策略來製備具有分級中空和主幹分支納米管結構的N、S 共摻雜多孔碳納米管。這種基於聚合物的雜原子摻雜多孔空心碳的簡單且易於規模化的合成策略可以實際應用於能量存儲和轉換領域。

導師簡介：

研究組負責人吉俊懿教授主要從事納米複合電極表界面微納結構設計與傳質強化領域的研究，通過新型電極材料微納結構的設計強化表界面傳質效率的提升，從而實現能量存儲與轉化效率的提升。先後承擔國家自然科學基金面上項目、青年基金等各類項目十餘項，研究成果發表SCI論文51篇，SCI正面引用3200餘次，單篇引用超過100次的論文9篇，H因子22，5篇SCI論文被選為ESI TOP 1%高被引論文。以第一作者或通訊作者在Adv. Mater. (2篇)、ACS Nano (2篇)、J. Mater. Chem. A (3篇)等高水平期刊發表論文26篇，影響因子大於10的論文7篇，他引1715次，單篇最高他引758次。先後獲得侯德榜化工科學技術青年獎（2019年）、天津市自然科學一等獎（2016年）、四川大學優秀科技人才獎（2020年）、四川大學青年科技人才獎（2016年）、教育部博士研究生學術新人獎（2011年）等獎勵。

文獻：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.07.015