浙江农林大学沈哲红/陈浩课题组CEJ：燃烧木粉变碳纳米片用于锌离子杂化电容器- 大数跨境

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浙江农林大学沈哲红/陈浩课题组CEJ：燃烧木粉变碳纳米片用于锌离子杂化电容器

科学材料站

2020-10-31

导读：该工作通过木粉一步燃烧转化的方法，成功制备了一种N、O共掺杂的二维碳纳米片，并在锌离子杂化电容器中作为正极材料展现出优异的电化学性能。

文章信息

一步燃烧反应转化木粉制作N、O共掺杂二维碳纳米片用于锌离子杂化电容器

第一作者：楼高波

通讯作者：陈浩*，沈哲红*，傅深渊*

单位：浙江农林大学

研究背景

水系锌离子杂化电容器(ZHS)凭借其理论容量高、安全性好、成本低而备受关注。其中，电导率高、电化学稳定性好的碳基材料被认为是一种理想的ZHS正极材料。

近年来，生物质资源凭借其可再生、环境友好等特点引起了人们的广泛兴趣。各种生物质衍生碳材料被成功应用于超级电容器电极材料。然而，由于生物质资源的复杂结构和多样组成，开发高效、简便的活化方法制备高电化学性能的多孔活性碳材料仍面临诸多挑战。

例如：典型的KOH和H3PO4活化被广泛用于制备生物质衍生碳材料，然而KOH和H3PO4的高腐蚀性会造成严重的设备损耗和环境危害。典型的非腐蚀型活化剂如ZnCl2和K2CO3对环境的影响较小，但不能提供满意的活化效果。因此，开发一种高效、简便的合成方法将生物质转化为可用于ZHS电极的高性能碳材料具有重要的意义。

文章简介

近日，浙江农林大学沈哲红、陈浩课题组在国际知名期刊Chemical Engineering Journal（影响因子：10.652）上发表题为“Combustion Conversion of Wood to N, O co-doped 2D Carbon Nanosheets for Zinc-ion Hybrid Supercapacitors”的研究工作。

该工作通过木粉一步燃烧转化的方法，成功制备了一种N、O共掺杂的二维碳纳米片，并在锌离子杂化电容器中作为正极材料展现出优异的电化学性能。这种以Zn(NO3)2·6H2O为氧化剂，尿素为燃料的新型燃烧转化合成方法，可以在一个步骤内轻松实现木粉的碳化、成孔、以及杂原子掺杂。

图1. 一步燃烧反应转化木粉制作碳纳米片的合成示意图及由其制作的ZHS的能量-功率密度图

本文要点

要点一：简单有效的制备方法

本文通过一步燃烧转化实现木材的碳化、成孔和掺杂。在该燃烧转化工艺中，Zn(NO3)2·6H2O和尿素分别作为氧化剂和燃料，它们之间的氧化还原反应释放出大量高温气体，导致木材中的管孔壁发生碳化爆裂，降解成大量的二维碳纳米片。其中Zn(NO3)2·6H2O除了充当氧化剂的作用，还可以作为锌源，产生锌物质（包括高温下的液态金属锌）。

这些锌物质可以穿透并扩散到碳基体中，在除锌过程中可以产生大量的多孔结构。另外，尿素分解释放的NH3和木材中天然存在的含氧物质作为氮源和氧源，在燃烧转化过程中可以同步实现碳纳米片N、O共掺杂。

要点二：独特的形态和结构

与典型的生物质衍生碳材料的不规则形态不同，制备的N、O共掺杂的多孔活性碳材料具有相对均一的二维片状结构和非常高的比表面积（1248m2/g），不仅缩短了电子/离子传输路径，优化了润湿性，而且还提供了丰富的界面活性位点，改善了离子吸附性能，从而提高了电化学活性。

要点三：出色的电化学性能

受益于以上优势特征，N、O共掺杂的碳纳米片在锌离子杂化电容器中展现出了优异的比容量（111.0 mAh g–1）、高的倍率性能（30倍电流增长后保持57.6%容量）、以及出色的能量密度（109.5 Wh kg–1），并且具有超长的循环寿命，50000次循环后容量保持率为92.7%。

文章链接

Combustion Conversion of Wood to N, O co-doped 2D Carbon Nanosheets for Zinc-ion Hybrid Supercapacitors

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127502

通讯作者介绍

陈浩，浙江农林大学副教授

浙江省高等学校“院士结对培养青年英才计划”、浙江省151人才工程第三层次资助培养人员，上海市优秀博士论文获得者，浙江农林大学“青年拔尖人才”。目前，主要从事生物质衍生材料及电化学能源存储材料的制备与应用方面的研究。目前已在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano、J. Am. Chem. Soc. 、Chem. Eng. J.等国际著名杂志上发表SCI收录论文20余篇。2篇论文连续5年入选ESI高被引论文，其中1篇入选2014年中国百篇最具影响国际学术论文。此外，还担任Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J.等国际学术期刊审稿人。

沈哲红，浙江农林大学教授

浙江省“151”第三层次人才。目前，主要从事生物质衍生微纳米复合材料相关研究工作。近年来主持国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、浙江省创新团队子课题、浙江省自然科学基金等多项课题。获得浙江省科学技术进步一等奖1项（2011，第三完成人）、二等奖1项（2016，第一完成人）、梁希林业科学技术三等奖1项（2016，第一完成人）。

傅深渊，浙江农林大学教授，博士生导师，浙江省 “151”第二层次人才

目前，主要从事胶粘剂、复合材料研究。现为浙江省科技厅新材料专项组专家，教育部林业工程林产化工分教学指导委员会委员，浙江省教育厅材料组教指委委员。获浙江省科学技术进步二等奖1项、三等奖1项。

第一作者介绍

楼高波，男，浙江农林大学在读博士研究生。

目前从事超级电容器电极材料以及高分子复合材料相关研究。以第一作者在Chemical Engineering Journal和ACS Applied Materials & Interfaces期刊上发表论文2篇。

【课题组介绍】

https://www.x-mol.com/groups/zafu332