萘基相互连接的多孔碳纳米囊的制备及超电容性能

doi:10.7503/cjcu20210336

摘要/Abstract

摘要：

以萘为碳源, 采用MgO模板诱导耦合KOH裁剪技术制备了相互连接的多孔碳纳米囊(ICNC). 结果表明所制备的ICNC₂具有大的比表面积(1811 m²/g)、高的压实密度(1.38 g/cm³)和微孔孔容含量(58.93%). 在对称的超级电容器(SC)中, ICNC₂电极的体积比容在不同电流密度下分别高达420.8 F/cm³(0.069 A/cm³)和315 F/cm³(27.6 A/cm³), 容量保持率为74.82%. 在38 W/L功率密度下, ICNC₂基SC的体积能量密度为14.6 W?h/L. 经过20000次循环后, 其体积比容仅衰减1.4%, 库伦效率为99.1%, 为从萘基小分子制备储能用功能碳材料提供了一种可行的方法.

关键词: 萘, 超级电容器, 碳纳米囊, 氧化镁模板

Abstract:

Porous carbon materials volume densities are usually less than 0.5 g/cm³， resulting in that porous carbon materials have a low volume specific capacitance. Therefore， it is still a big challenge to improve volume specific capacitance performance of carbon materials. Herein， interconnected porous carbon nanocapsules（ICNC） were prepared by MgO template induction coupled with KOH tailoring technology using naphthalene as carbon source. The as-prepared ICNC₂ has a large specific surface area（1811 m²/g）， high compaction density（1.38 g/cm³） and micropore volume content（58.93%）. In a symmetrical supercapacitor， the ICNC₂ electrode displays a high volumetric capacitance of 420.8 F/cm³ at 0.069 A/cm³ and retains 315.1 F/cm³ at 27.6 A/cm³ with capacitance retention of 74.82%. The supercapacitor device of ICNC₂ electrode displays a high volumetric energy density of 14.6 W·h/L at the power density of 38 W/L. It also shows excellent cycle stability with only 1.4% decay and outstanding coulombic efficiency of 99.1% after 20000 cycles. This work provides a feasible method for production of high-performance carbon nanocapsules from small aromatic molecules for energy storage.

Key words: Naphthalene, Supercapacitor, Carbon nanocapsules, MgO template

中图分类号:

O646

TrendMD:

魏雨晨, 武婷婷, 杨磊, 金碧玉, 李宏强, 何孝军. 萘基相互连接的多孔碳纳米囊的制备及超电容性能. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2852.

WEI Yuchen, WU Tingting, YANG Lei, JIN Biyu, LI Hongqiang, HE Xiaojun. Preparation and Supercapacitive Performance of Naphthalene-based Interconnected Porous Carbon Nanocapsules. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2852.

图/表 10

参考文献 45

1	Liu W. J.， Jiang H.， Yu H. Q.， Chem. Rev.，2015， 115（22）， 12251—12285
2	Lian Y. M.， Ni M.， Huang Z. H.， Chen R. J.， Zhou L.， Utetiwabo W.， Yang W.， Chem. Eng. J.， 2019， 366（15）， 313—320
3	Zhang J. J.， Zhao H. P.， Li J.， Yu X. C.， Lei Y.， Adv. Energy Mater.， 2019， 9（4）， 1803221
4	Wang P.， Zhang G.， Li M. Y.， Yin Y. X.， Li J. Y.， Li G.， Wang W. P.， Peng W.， Cao F. F.， Guo Y. G.， Chem. Eng. J.， 2019， 375（1）， 122020
5	Liu C. C.， Yan X. J.， Hu F.， Cao G. H.， Wu G. M.， Yang X. W.， Adv. Mater.， 2018， 30（17）， 1705713
6	Yao L.， Wu Q.， Zhang P. X.， Zhang J. M.， Wang D. R.， Li Y. L.， Ren X. Z.， Mi H. W.， Deng L. B.， Zheng Z. J.， Adv. Mater.， 2018， 29（11）， 1706054
7	Yang Y.， Ng S. W.， Chen D. D.， Chang J.， Wang D. R.， Shang J.， Huang Q. Y.， Deng Y. H.， Zheng Z. J.， Small，2019， 15（48）， 1902071
8	Huang C.， Hu A. P.， Li Y. H.， Zhou H. F.， Xu Y. L.， Zhang Y.， Zhou S. P.， Tang Q. L.， Chen C. S.， Chen X. H.， Nanoscale， 2019， 11（35）， 16515—16522
9	Chen H.， Liu T.， Mou J. R.， Zhang W. J.， Jiang Z. J.， Liu J.， Huang J. L.， Liu M. L.， Nano Energy， 2019， 9（63）， 103836
10	Jin H. L.， Li J.， Yuan Y. F.， Wang J. C.， Lu J.， Wang S.， Adv. Energy Mater.， 2018， 8（23）， 1801007
11	Wise S. A.， Benner B. A.， Byrd G. D.， Chesler S. N.， Rebbert R. E.， Schantz M. M.， Anal. Chem.， 1988， 60（9）， 887—894
12	Wang Q.， Yan J.， Fan Z. J.， Energy Environ. Sci.， 2016， 9（3）， 729—762
13	Wei F.， Bi H. H.， Jiao S.， He X. J.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2020， 36（2）， 1903043（魏风，毕宏晖，焦帅，何孝军. 物理化学学报， 2020， 36（2）， 1903043）
14	Liu Y. H.， Jin L.， Xue B. C.， Guo Y. P.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（6）， 1242—1248（刘艳华，金璐，薛北辰，郭玉鹏. 高等学校化学学报， 2018， 39（6）， 1242—1248）
15	Zhu Q. L.， Pachfule P.， Strubel P.， Li Z. P.， Zou R. Q.， Liu Z.， Kaskel S.， Xu Q.， Energy Storage Mater.， 2018， 7（13）， 72—79
16	Li Z.， Liu X.， Wang L.， Bu F.， Wei J. J.， Pan D. Y.， Wu M. H.， Small， 2018， 14（39）， 1801498
17	Deng X. Y.， Li J. J.， Zhu S.， Ma L. Y.， Zhao N. Q.， Energy Storage Mater.， 2019， 23（12）， 491—498
18	Wang J. C.， Kaskle S.， J. Mater. Chem.， 2012， 22（45）， 23710—23725
19	Shao J. Q.， Song M. Y.， Wu G.， Zhou Y. H.， Wan J. F.， Ren X.， Ma F. W.， Energy Storage Mater.， 2018， 7（13）， 57—65
20	Wei F.， He X. J.， Bi H. H.， Jiao S.， Xiao N.， Qiu J. S.， J. Power Sources， 2020， 474（31）， 228698
21	Zhang X. H.， Li H. X.， Qin B.， Wang Q.， Xing X. H.， Yang D. H.， Jin J. E.， Cao Q.， J. Mater. Chem. A， 2019， 21（7）， 3298—3306
22	Wang J.， Xu Y. L.， Ding B.， Chang Z.， Zhang X. G.， Yamauchi Y.， Wu K. C. W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57（11）， 2894— 2898
23	Liu X. B.， Lai C. G.， Xiao Z. C.， Zou S.， Liu K. X.， Yin Y. H.， Liang T. X.， Wu Z. P.， ACS Appl. Energy Mater.， 2019， 2（5）， 3185—3193
24	Kim D. K.， Bong S.， Jin X. Z.， Seong K. D.， Hwang M.， Kim D. N.， You N. H.， Piao Y. Z.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2019， 11（2）， 1996—2005
25	Wang Y. M.， Liu T.， Lin X. J.， Chen H.， Chen S.， Jiang Z. J.， Chen Y.， Liu J.， Huang J. L.， Liu M. L.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2018， 6（11）， 13932—13939
26	Mo F. N.， Liang G. J.， Wang D. H.， Tang Z. J.， Li H. F.， Zhi C. Y.， EcoMat， 2019， 1（1）， e12008
27	Wang J. G.， Liu H. Z.， Zhang X. Y.， Li X.， Liu X. R.， Kang F. Y.， Small， 2018， 14（13）， 1703950
28	An T. C.， Gong S.， Ling Y. Z.， Dong D. S.， Zhao Y. M.， Cheng W. L.， EcoMat， 2020， 2（2）， e12022
29	Xu Y. X.， Lin Z. Y.， Zhong X.， Huang X. Q.， Weiss N. O.， Huang Y.， Duan X. F.， Nat. Commun.， 2014， 5， 5554—5561
30	Dong X. W.， Hu N. T.， Wei L. M.， Su Y. J.， Wei H.， Yao L.， Li X. L.， Zhang Y. F.， J. Mater. Chem. A， 2016， 4（25）， 97399743
31	Bu Y. F.， Sun T.， Cai Y. J.， Du L. Y.， Zhou O.， Yang L. J.， Wu Q.， Wang X. Z.， Hu Z.， Adv. Mater.， 2017， 29（24）， 1700470
32	Dong X. W.， Yang Z.， Wu X.， Luo Y. S.， Chen T. Q.， Li M.， Hu N. T.， Zhang Y. F.， Electrochim. Acta， 2017， 251（10）， 263—269
33	Pang J.， Zhang W. F.， Zhang J. L.， Cao G. P.， Han M. F.， Yang Y. S.， Green Chem.， 2017， 19（16）， 3916—3926
34	Liu B.， Liu Y. J.， Chen H. B.， Yang M.， Li H. M.， J. Power Sources， 2017， 341（15）， 309—317
35	Yan L. J.， Li D.， Yan T. T.， Chen G. R.， Shi L. Y.， An Z. X.， Zhang D. S.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2018， 6（4）， 5265—5272
36	Sheng L. Z.， Chang J.， Jiang L. L.， Jiang Z. M.， Liu Z.， Wei T.， Fan Z. J.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28（21）， 1800597
37	Chao Y. Z.， Chen S. B.， Chen H. Q.， Hu X. J.， Ma Y.， Gao W. S.， Bai Y. X.， Electrochim. Acta， 2018， 276（20）， 118—124
38	Chen S. B.， Gao W. S.， Chao Y. Z.， Ma Y.， Zhang Y. H.， Ren N.， Chen H. Q.， Jin L. J.， Li J. G.， Bai Y. X.， Electrochim. Acta， 2018， 273（20）， 181—190
39	Díez N.， Botas C.， Mysyk R.， Goikolea E.， Rojo T.， Carriazo D.， J. Mater. Chem. A， 2018， 6（8）， 3667—3673
40	Pan Z. H.， Zhi H. Z.， Qiu Y. C.， Yang J.， Xing L. D.， Zhang Q. C.， Ding X. Y.， Wang X. S.， Xu G. G.， Yuan H.， Chen M.， Li W. F.， Yao Y. G.， Motta N.， Liu M. N.， Zhang Y. G.， Nano Energy， 2018， 4（46）， 266—276
41	Long C. L.， Chen X.， Jiang L. L.， Zhi L. J.， Fan Z. J.， Nano Energy， 2015， 3（12）， 141—151
42	Jiang L. L.， Sheng L. Z.， Long C. L.， Fan Z. J.， Nano Energy， 2015， 1（11）， 471—480
43	Wang J.， Park T.， Yi J. W.， Ding B.， Henzie J.， Chang Z.， Dou H.， Zhang X. G.， Yamauchi Y.， Nanoscale Horiz.， 2019， 4（2）， 526—530
44	Liu Y. J.， Liu N.， Yu L. M.， Jiang X. H.， Yan X. F.， Chem. Eng. J.， 2019， 362（15）， 600—608
45	He X. J.， Zhang H. B.， Zhang H.， Li X. J.， Xiao N.， Qiu J. S.， J. Mater. Chem. A， 2014， 2（46）， 19633—19640

Sample	D_ap/nm	S_BET/（m²·g^-1）	S_mic/（m²·g^-1）	V_t/（cm³·g^-1）	V_mic/（cm³·g^-1）	（V_mic/V_t）（%）
ICNC_M	9.70	893	126	2.17	0.35	16.12
ICNC₁	2.43	1684	1469	0.96	0.46	47.92
ICNC₂	2.56	1811	1596	1.12	0.66	58.93
ICNC₃	2.68	1431	1083	0.94	0.32	34.04
ICNC_K	2.48	1101	472	0.68	0.24	35.29

Sample	D_ap/nm	S_BET/（m²·g^-1）	S_mic/（m²·g^-1）	V_t/（cm³·g^-1）	V_mic/（cm³·g^-1）	（V_mic/V_t）（%）
ICNC_M	9.70	893	126	2.17	0.35	16.12
ICNC₁	2.43	1684	1469	0.96	0.46	47.92
ICNC₂	2.56	1811	1596	1.12	0.66	58.93
ICNC₃	2.68	1431	1083	0.94	0.32	34.04
ICNC_K	2.48	1101	472	0.68	0.24	35.29

Sample	Electrolyte	Loadmass/ （mg·cm^-2）	Gravimetric current density/（A·g^-1）	Volumetirc current density/（A·cm^-3）	C_g/（F·g^-1）	C_v/（F·cm^-3）	Ref.
HGF	6 mol/L KOH	1.0	1.0	0.71	310	221	［29］
N?HG	6 mol/L KOH	2.0	0.5	0.794	250	397	［30］
CCN	6 mol/L KOH	0.65	1.0	1.318	173	228	［31］
NPC	6 mol/L KOH	0.56	0.5	0.631	301	380	［32］
HPCSLS	7 mol/L KOH	8.1	0.05	0.049	247	240	［33］
PFC	6 mol/L KOH	—	0.5	0.531	270	287	［34］
N，P，S?HCS	6 mol/L KOH	4.0	0.5	0.40	274	219	［35］
F?GRF	6 mol/L KOH	21.0	0.05	0.005	318	293	［36］
PGF	6 mol/L KOH	0.937	1.0	1.335	164	219	［37］
LTRGO	6 mol/L KOH	1.5	0.5	0.567	200	227	［38］
prGO?CNT	6 mol/L KOH	12	1.0	1.50	170	255	［39］
BNP?HGH	1 mol/L H₂SO₄	10	1.0	0.669	362	242	［40］
PGC	6 mol/L KOH	3.0	0.5	0.481	374	360	［41］
GNCN	6 mol/L KOH	0.5	0.005	0.006	294	331	［42］
HGN	6 mol/L KOH	—	1.0	1.302	295	384	［43］
ICNC₂	6 mol/L KOH	2.0	0.05	0.069	305	420.8	This work
			20	27.6	228	315

Sample	Electrolyte	Loadmass/ （mg·cm^-2）	Gravimetric current density/（A·g^-1）	Volumetirc current density/（A·cm^-3）	C_g/（F·g^-1）	C_v/（F·cm^-3）	Ref.
HGF	6 mol/L KOH	1.0	1.0	0.71	310	221	［29］
N?HG	6 mol/L KOH	2.0	0.5	0.794	250	397	［30］
CCN	6 mol/L KOH	0.65	1.0	1.318	173	228	［31］
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PFC	6 mol/L KOH	—	0.5	0.531	270	287	［34］
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PGF	6 mol/L KOH	0.937	1.0	1.335	164	219	［37］
LTRGO	6 mol/L KOH	1.5	0.5	0.567	200	227	［38］
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BNP?HGH	1 mol/L H₂SO₄	10	1.0	0.669	362	242	［40］
PGC	6 mol/L KOH	3.0	0.5	0.481	374	360	［41］
GNCN	6 mol/L KOH	0.5	0.005	0.006	294	331	［42］
HGN	6 mol/L KOH	—	1.0	1.302	295	384	［43］
ICNC₂	6 mol/L KOH	2.0	0.05	0.069	305	420.8	This work
			20	27.6	228	315

[1]	刘情情, 王普, 王永帅, 赵曼, 董焕丽. 新型萘/苝酰亚胺取代丁二炔衍生物的合成及拓扑聚合[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220091.
[2]	赵永梅, 穆叶舒, 洪琛, 罗稳, 田智勇. 双萘酰亚胺衍生物用于检测水溶液中的苦味酸[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210765.
[3]	侯从聪, 王惠颖, 李婷婷, 张志明, 常春蕊, 安立宝. N-CNTs/NiCo-LDH复合材料的制备及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220351.
[4]	李文, 乔珺一, 刘鑫垚, 刘云凌. 含萘基团的锆金属有机骨架材料对水中硝基芳烃爆炸物的荧光检测性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210654.
[5]	付志男, 谈云龙, 肖谷雨, 颜德岳. 含全氟联苯结构的磺化聚二氮杂萘酮醚氧膦质子交换膜的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2635.
[6]	朱琪琛, 熊明, 陶思羽, 唐思危, 任奇志. 光源的选择对水溶性磺酸卟啉光催化对萘二酚类物质催化性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1933.
[7]	黄东雪, 章颖, 曾婷, 张媛媛, 万其进, 杨年俊. 基于过渡金属硫化物/还原氧化石墨烯复合物的高性能超级电容器[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 643.
[8]	沙卉雯, 马维廷, 周晓娟, 宋卫星. 激光诱导三维网状石墨烯的一步法制备及应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 607.
[9]	陈明华, 李宏武, 范鹤, 李誉, 刘威铎, 夏新辉, 陈庆国. 二维过渡金属硫族化合物在超级电容器中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 539.
[10]	张卫国, 范松华, 王宏智, 姚素薇. α-Fe₂O₃/石墨烯水凝胶复合材料的自组装制备及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1850.
[11]	户志远, 万秋香, 周航, 宋传君, 常俊标. 5,5,8aβ-三甲基-6β-羟基-反八氢-1-萘酮的合成及在Phenylspirodrimane类混源萜天然产物骨架构建中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(5): 955.
[12]	关芳兰,李昕,张群,龚,林紫钰,陈耀,王乐军. 激光直写微型RGO/MWCNT/CF平面柔性超级电容器的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(2): 300.
[13]	李勃天,邵伟,肖达,周雪,董俊伟,唐黎明. 聚吡咯纳米线凝胶的模板制备及储能与电化学传感性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 183.
[14]	华涛, 李胜男, 李凤祥, 王浩楠. 生物电化学系统降解多环芳烃萘及微生物群落研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(9): 1964.
[15]	乔雪娇, 李丹, 程龙玖, 金葆康. BMIMBF₄中2-氨基-3-氯-1,4-萘醌电化学捕获CO₂的机理[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1606.