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[材料资讯] 杨儒、王峰课题组:一种构建高性能钾离子混合电容器的新策略

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发表于 2020-9-7 17:30:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
近日,材料学院杨儒教授和王峰教授研究团队联合在国际权威期刊《Advanced Science》(IF=15.84)上合作发表了题为“Cucurbit[6]uril-Derived Nitrogen-Doped Hierarchical Porous Carbon Confined in Graphene Network for Potassium-Ion Hybrid Capacitors”的研究论文,报道了一种构建高性能钾离子混合电容器的新策略。
       当今储能领域对于兼具高能量与功率密度的储能设备的需求日益增长,这推动了以混合电容器为代表的新兴储能系统的发展。在种类繁多的混合电容器中,钾离子混合电容器(PIHCs)因堪比二次电池的能量密度、与超级电容器相似的功率密度和循环性能以及丰富的钾资源而备受关注。然而,由于钾离子的尺寸远大于锂/钠离子,本就动力学缓慢的PIHCs电池型负极面临着比锂/钠离子混合电容器更严峻的动力学缺陷。因此,推动PIHCs进一步实用化的关键在于设计制备具有与电容型正极的动力学相匹配的快速电化学反应动力学的电池型负极。

一种构建高性能钾离子混合电容器的新策略

一种构建高性能钾离子混合电容器的新策略
       在该研究中,研究人员以具有丰富氮、氧杂原子的笼状超分子基体葫芦[6]脲为前驱体、氧化石墨烯为导电网络,通过超声均化,经冷冻干燥和直接炭化等步骤成功制备了具有极高氮掺杂水平(15.5 at.%)和独特的大孔-超介孔互联导电网络的石榴状氮掺杂多孔炭@石墨烯复合材料(CBC@G)。作为PIHCs负极时,CBC@G展现出优异的可逆比容量(0.1C 时的可逆比容量为349.1 mA h g-1)、出色的倍率性能(20C时保持102.5 mA h g-1)和循环性能(5C下稳定循环2400次)。此外,结合系统的原位/非原位表征和密度泛函理论计算详细分析了葫芦[6]脲的炭化机理(350–550 °C持续炭化)、CBC@G的储能机理、SEI膜的形成机理和成分(以K2CO3, K2O和含钾有机物为主)以及炭骨架上的杂原子构型(2N-6/1N-5为最佳构型)。最终,以CBC@G为负极、KOH直接活化的葫芦[6]脲衍生炭为正极成功构建了具有高能量/功率密度(172 Wh kg−1, 22 kW kg-1)以及长循环能力(5 A g−1的电流密度下5000次循环后容量保持率为81.5%)的全炭PIHCs。这项工作为葫芦[6]脲开辟了一个新的应用领域并为钾离子混合电容器未来的发展和应用提供了新的参考途径。
       本文第一作者为我院博士研究生邱大平,杨儒教授、王峰教授为本文的通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金的资助。
       文章信息:Daping Qiu, Jingyu Guan, Min Li, Cuihua Kang, Jinying Wei, Feng Wang,* and Ru Yang*, Cucurbit[6]uril-Derived Nitrogen-Doped Hierarchical Porous Carbon Confined in Graphene Network for Potassium-Ion Hybrid Capacitors, Adv. Sci. 2020, 2001681.
       全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001681


       文章来源:北京化工大学
       石峰,北京化工大学教授,博士生导师。2008年9月被聘为北京化工大学教授,博士生导师,获得2014优秀青年基金资助。主要工作围绕“多尺度超分子组装及构筑基元扩散过程的研究”这一主题,在宏观构筑基元的可控运动及超分子组装等领域展开研究,,提出并发展了“功能协同的智能器件”和“柔性间隔层”的概念,建立了“宏观构筑基元的可控运动是实现其超分子组装的先决条件”和“引入柔性间隔层是实现宏观构筑基元间超分子相互作用的重要设计原则”的思想。在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., NPG Asia Materials, Small等期刊上发表SCI论文58篇(其中通讯作者论文34篇),论文被SCI他引2105次。
       杨儒 ,男,1963年11月26日出生,山西人,北京化工大学材料科学与工程学院教授,研究室主任,博士生导师。主要从事纳米材料制备新技术、功能陶瓷材料、纳米催化新材料等方面的研究。曾负责和参与了国家重大攻关项目、863、国家自然科学基金、教育部重大科技项目、北京自然科学基金、北京市科委重大科技项目、企业合作项目等。发表学术刊物论文100余篇,出版参编著作1本,授权国家发明专利20余件。材料科学与工程学院学术委员会委员、教授指导委员会委员和教学委员会委员,北京化工大学工会副主席,超细材料与先进陶瓷研究室主任,炭及无机功能系主任。荣获2004年教师节北京化工大学优秀教师的光荣称号。现任中国化工学会会员,中国化工学会无机酸碱盐专业委员会学术带头人,《北京化工大学学报》编委。

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