四川大学：N、S共掺杂的支链碳纳米管，用于超级电容器和锂电池

成果简介

碳基电极的孔结构和表面杂原子修饰的合理设计对于高性能储能至关重要。本文，化学工程学院四川大学吉俊懿教授团队在《Carbon》期刊发表名为“N, S co-doped branched carbon nanotubes with hierarchical porous structure and electron/ion transfer pathways for supercapacitors and lithium-ion batteries”的论文，研究通过简单的软模板聚合和活化制备了基于聚吡咯的具有分级中空和主干分支纳米管结构的N、S共掺杂多孔碳纳米管。具有均匀分布的活性位点的3D互连结构可以形成紧密的接触界面和互连的通道，从而促进电子转移和电解质的渗透。 

因此，N、S 共掺杂的支链碳具有较大的比电容（ 0.5 A g -1时为420.6 F g -1 ）、良好的倍率性能（  30 A g -1 时为287.2 F g -1) 和超级电容器中出色的循环稳定性（12000 次循环后保持 99.32% 的电容）。此外，这种N、S共掺杂的支链碳纳米管作为LIBs负极还表现出高比容量（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电池可以实现2112 Wh kg -1阳极（424 Wh kg -1阴极）的能量密度。这种简单、可控且易于扩展的多孔碳制造策略可应用于许多实际领域。

图文导读

图1。活化的 N、S 共掺杂多孔碳纳米管的合成过程示意图

图2。(a) CTAB调控PPy纳米管分支结构的机理示意图；(b) CP 的 SEM 图像；(c) CPN-0；(d) CPN-0.5；(e) CPN-1；(f) CPN-2.5；(g) CPN-5。

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

图4。(a) XRD 图；(b) 拉曼光谱；(c) 氮吸附/解吸等温线和 (d) CPN-2.5、NSC-2.5 和 aNSC-2.5 复合材料的孔径分布曲线。

图5。所制备样品的超级电容器性能

图6。LIB半电池中电极的电化学性质

小结

总之，报告了一种简单但有效的策略来制备具有分级中空和主干分支纳米管结构的N、S 共掺杂多孔碳纳米管。这种基于聚合物的杂原子掺杂多孔空心碳的简单且易于规模化的合成策略可以实际应用于能量存储和转换领域。

导师简介：

研究组负责人吉俊懿教授主要从事纳米复合电极表界面微纳结构设计与传质强化领域的研究，通过新型电极材料微纳结构的设计强化表界面传质效率的提升，从而实现能量存储与转化效率的提升。先后承担国家自然科学基金面上项目、青年基金等各类项目十余项，研究成果发表SCI论文51篇，SCI正面引用3200余次，单篇引用超过100次的论文9篇，H因子22，5篇SCI论文被选为ESI TOP 1%高被引论文。以第一作者或通讯作者在Adv. Mater. (2篇)、ACS Nano (2篇)、J. Mater. Chem. A (3篇)等高水平期刊发表论文26篇，影响因子大于10的论文7篇，他引1715次，单篇最高他引758次。先后获得侯德榜化工科学技术青年奖（2019年）、天津市自然科学一等奖（2016年）、四川大学优秀科技人才奖（2020年）、四川大学青年科技人才奖（2016年）、教育部博士研究生学术新人奖（2011年）等奖励。

文献：

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