天津科技大学刘忠课题组ChemElectroChem：以生物质废弃物为原料的杂原子掺杂多孔碳材料制备及其电化学性能研究

天津科技大学刘忠课题组报道了一步碳化法制备P/S/N三掺杂多孔碳材料的方法。该方法制备的多孔碳材料具有较大的比表面积、合理的孔径分布结构以及良好的电化学性能，能够作为超级电容器的电极材料使用。

超级电容器是一种新型的储能设备。它与传统的电容器相比，具有充放电速度极快，循环寿命长等显著优势。对超级电容器来说，能量密度和功率密度是其两个重要的性能指标，而决定这两个性能好坏的主要因素是其电极材料，并且超级电容器的能量密度与电极材料的电容性能成正比。多孔碳是一种理想的超级电容器电极材料，具有大的比表面积，可调节的孔隙结构，良好的导电性和电化学性能等优点。

该课题组使用生物废弃物花生壳作为碳前驱体，并对花生壳进行蒸汽爆破预处理，以初步形成孔隙结构。以爆破后的花生壳作为多孔的自模板，以磷酸钾为活化剂同时提供磷原子，同时添加硫脲作为造孔剂，并提供氮原子和硫原子，制备了3种杂原子掺杂的多孔碳材料（PSN-PSC）。该方法制备出的多孔碳材料具有极高的比表面积（2046 m² g⁻¹）和分及的多孔结构，这使得电解质能够深入到材料内部，有利于电解质离子的传递与转移。

图1. 不同掺杂剂制备的多孔碳的电镜图：(a) PN-PSC的SEM图像，(b) PSN-PSC的SEM图像，(c) PSN-PSC的TEM图像，(d) PSN-PSC的HRTEM图像

此外，杂原子（P, S, N）的掺杂提高了电容器的储能能力。杂原子掺杂和分级多孔结构的协同作用使PSN-PSC在0.1 A g⁻¹时具有最高的比电容334.7 F g⁻¹，在6 M KOH电解液中，三电极体系的循环稳定性达到了96%。此外，PSN-PSC对称超级电容器在6 M KOH电解液中，在70 W kg⁻¹的功率密度下可达到19.92 Wh kg⁻¹的优异能量密度。以上研究为基于预处理后的生物质废弃物制备杂原子掺杂碳电极材料提供了一种新的、简便的方法。

图2.（a）对称超级电容器在不同电压窗口下的循环伏安曲线；（b）对称超级电容器在1.4 V电压窗口下的恒流充放电曲线；（c）对称超级电容器的Ragone图；（d）对称超级电容器在5 A g^-1的电流密度下循环8000次的电容保持率。

论文信息

Synthesis of P, S, N, triple-doped porous carbon from steam explosion pretreated peanut shell as electrode material applied on supercapacitor

Xin Li, Dr. Dayong Ding, Prof. Zhong Liu, Prof. Lanfeng Hui, Taoli Guo, Dr. Tingting You, Yunpeng Cao and Dr. Yumeng Zhao

文章第一作者为李昕，丁大永讲师与刘忠教授为共同通讯作者。

ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202200035

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