Mauricio Terrones教授Small：超轻柔性氮掺杂碳管泡沫电极材料用于高性能超级电容器- 大数跨境

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Mauricio Terrones教授Small：超轻柔性氮掺杂碳管泡沫电极材料用于高性能超级电容器

科学材料站

2020-12-11

导读：该工作以三聚氰胺泡沫为原料，制备了三维氮掺杂碳管泡沫电极材料，并通过简单的离子吸附、气相扩散-沉积和热处理合成了铁酸镍/氮掺杂碳管泡沫复合电极材料。

文章信息

超轻柔性氮掺杂碳管泡沫电极材料用于高性能超级电容器

第一作者：付民

通讯作者：吕瑞涛*，雷钰*, Mauricio Terrones*

单位：山东科技大学, 清华大学, 美国宾夕法尼亚州立大学

研究背景

超级电容器由于具有优异的功率密度和较长的使用寿命，因此被认为是非常有潜力的储能器件。传统的刚性超级电容器在很多柔性可穿戴领域的应用受到极大的限制。因此轻质、柔性、高性能的电极材料具有广阔的发展前景。

文章简介

近日，来自山东科技大学的付民，清华大学的吕瑞涛与美国宾夕法尼亚州立大学的雷钰、Mauricio Terrones合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Ultralight Flexible Electrodes of Nitrogen-Doped Carbon Macrotube Sponges for High-Performance Supercapacitors”的研究文章，并被选为2021年第一期的front cover。

该工作以三聚氰胺泡沫为原料，制备了三维氮掺杂碳管泡沫电极材料，并通过简单的离子吸附、气相扩散-沉积和热处理合成了铁酸镍/氮掺杂碳管泡沫复合电极材料。所得的电极材料可直接用于柔性超级电容器的组装，取得了很好的储能效果。

图1. Small 2021年第一期封面图。

图2. 复合电极材料的合成示意图。

图3. 柔性储能器件的电化学性能。

本文要点

要点一：三维开放大孔结构的氮掺杂碳管泡沫电极的可控合成

本文以三聚氰胺海绵为原料，经过简单的热处理制备了具有三维开放大孔结构的氮掺杂碳管泡沫电极。三聚氰胺中的高含氮量实现了碳骨架的氮原子掺杂，赋予了电极材料更好的电化学活性。通过简单的离子吸附、气相扩散-沉积和热处理合成了铁酸镍/氮掺杂碳管泡沫复合电极材料。三维开放的大孔结构为铁酸镍的均匀负载提供了理想的平台。

要点二：柔性、轻质和优异的电化学特性

铁酸镍/氮掺杂碳管泡沫复合电极材料的表观密度只有0.0055 g cm−3，显示出轻质的特性。得益于碳骨架的开放大孔结构和铁酸镍与氮掺杂碳管泡沫之间的协同作用，所合成的复合电极材料表现出优异的电容性能（1 A g-1时比电容达到715.4 F g-1，10 A g-1时比电容为508.3 F g-1 ；1 A g-1下经过5万次循环后比电容保持率达到90.9%）。

另外，将所得材料直接用于柔性超级电容器的组装，无需导电添加剂和粘结剂。在0.5 mA cm-2的电流密度下，面积比电容达到1397.4 mF cm-2，8 mA cm-2的电流密度下，面积比电容为1041.2 mF cm-2。在1 mA cm-2的电流密度和弯曲状态下，经过1万次循环后比电容保持率达到92.9%。该电极材料集柔性、轻质和优异的电化学特性于一体，显示出潜在的应用前景。

文章链接

Ultralight Flexible Electrodes of Nitrogen-Doped Carbon Macrotube Sponges for High-Performance Supercapacitors

DOI: 10.1002/smll.202004827

通讯作者介绍

吕瑞涛教授，清华大学材料学院院长助理，教学实验室主任，博士生导师

现为主要从事碳基材料缺陷设计及性能调控研究，侧重于晶格缺陷的可控构筑、原子级构型可视化解析以及在清洁能源和分子探测等领域的应用。在PNAS、Adv. Mater.等期刊上发表SCI收录论文130多篇，担任Nature Nanotechnol., Adv. Mater., JACS等60多个国际期刊的学术审稿人。主持国家自然科学基金项目4项，中国航空工业集团公司委托项目2项，参加国家重点基础研究发展计划项目2项。曾获英国炭素学会Brian Kelly Award和国家优秀青年科学基金项目资助。

雷钰博士

现为宾夕法尼亚州立大学博士后。主要从事二维材料缺陷设计及性能调控研究，以及其在能源转化，单原子催化，及生物分子检测领域的应用。在Science Advances, ACS Nano, JACS, Advanced Materials等期刊发表多篇研究论文。同时担任ACS nano, 2D materials, Carbon等多个国际期刊学术审稿人。

Mauricio Terrones，宾夕法尼亚州立大学杰出教授

现为宾夕法尼亚州立大学二维和分层材料中心以及NSF-IUCRC原子级薄多功能涂料中心（ATOMIC）的创始人。2000年获墨西哥国家化学奖，2001年获联合国教科文组织颁发的Javed Husain奖和阿尔伯特爱因斯坦奖，2005年因在碳基纳米材料领域的贡献而获TWAS工程物理奖（有史以来获得TWAS奖项的最年轻的科学家），2012年当选美国科学促进会（AAAS）研究员，2015年当选英国皇家化学学会会员，2016年被授予物理科学学院学者奖章，Carbon主编，2D材料和自然科学报告的副主编。已发表超过600余篇SCI科学论文，被引用次数超过60,000次，H因子=124，其中包括Nature, Science, Nat. Materials., Nat. Chemistry, Nat. Nanotechnology, Science Advances等高水平杂志.

第一作者介绍

付民博士，山东科技大学化学与生物工程学院应用化学系副主任，硕士生导师

主要从事金属氧化物/先进碳纳米复合材料的结构设计及其在储能、雷达波隐身和生物分子检测等领域的应用。在Small, Carbon，Journal of Materials Chemistry A，Biosensors & bioelectronics和Journal of Power Sources等学术刊物上发表多篇研究论文，其中高被引3篇。参与编写十三五规划教材2部，在国际、国内学术会议做多次邀请报告。担任Nano Energy, Carbon, ChemSusChem, ACS Applied Materials & Interfaces等20多个国际期刊的学术审稿人。