【论文介绍】 氮掺杂碳纤维包覆石墨烯纳米片的构建及电容特性

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研究背景

　　碳电极材料主要基于双电层电容的储能机制，是商业化超级电容器的主要电极材料。碳纳米纤维(CNFs) 相互交织形成导电网状结构有利于电荷的储存和电子的定向传输，表现出良好的电容特性，可以作为超级电容器的电极材料。通过复合改性，可以实现碳材料间的优势互补，有效提高碳电极材料的电容特性。

　　在这项研究中，笔者采用原位模板组装的方法,设计构建了氮掺杂碳纤维包覆石墨烯纳米片(NFGNs)层间复合材料。将相互连通的氮掺杂碳纳米纤维均匀地包覆在石墨烯纳米片层表面。通过改变炭化温度，对复合材料的空间结构、元素组成和石墨化程度进行了调控，使NFGNs复合材料可以成为超级电容器的电极材料。

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结果展示

　　图1为不同炭化温度处理得到NFGNs-750 (a), NFGNs-800 (b) 和 NFGNs-850 (c) 样品的SEM图。该项研究制备的NFGNs材料中NCNF均匀地包覆生长在EGNs的石墨烯纳米片层表面。NCNF呈相互连通的3D空间结构。随着炭化温度的升高,包覆层厚度变薄,而且交联状CNF的直径变细。

图1  NFGNs-750 (a), NFGNs-800 (b) 和 NFGNs-850 (c) 样品的SEM图

　　XPS测试结果表明NFGNs材料含有C、O、N三种元素(图2)。N元素主要来自于PPy前驱体，掺杂在材料本体结构中。N素含量随着炭化温度的升高逐渐降低。NFGNs复合材料中的掺杂的氮原子可以在充放电过程中产生赝电容。

图2  NFGNs-800的XPS谱图 (a) 全谱谱图；(b) N1s谱图；(c) C1s 谱图；(d) O1s谱图

　　NFGNs材料的N2吸附-脱附等温线呈现具有滞后环的IV型曲线。如图3所示，NFGNs材料中交联状NCNF和EGNs有效的结合。这种由EGNs支撑的层间复合材料具有较高的比表面积，可以为电解液离子提供较多的吸附活性位点，加速了电解液离子的传递，具有较好的电容特性。

图3  NFGNs-750, NFGNs-800, NFGNs-850, NCNF-800和EGNs-800的N2吸附-脱附曲线

　　NFGNs-800超级电容器，在不同扫描速度时的CV曲线展示出对称性准矩形，表明主要以双电层电容为主，并具有良好的可逆性(图4（a）)。NFGNs-800超级电容器的GCD曲线呈现对称三角形形状，随着电流密度的增加，没有出现明显扭曲变形。在流密度为 1.0 A•g-1时的Ccell为77.7 F•g^-1  (图4（c）)。在功率密度为 10.5 kW•kg^-1时的能量密度为87.1 Wh•kg^-1；在功率密度高达 29.8 kW•kg-1时的能量密度仍保持在71.4 Wh•kg^-1。随着功率密度的增加，能量密度降低的并不明显(图4（d）)。NFGNs-800超级电容器在电流密度为10 A•g^-1时，经过10000次充放电循环后，CGD曲线没有明显的变化，比电容为其初始比电容的95.9%，库仑效率均保持在99%以上，表明NFGNs-800超级电容器具有良好的循环稳定性和可逆性。

图4  NFGNs-800超级电容器的电化学性能 (a) 不同扫描速度时的CV测试曲线; (b) 电化学阻抗Nyquist图; (c) 不同电流密度时的GCD测试曲线; (d) 能量密度随功率密度的变化图; (e) 循环稳定性和库仑效率随循环次数变化曲线;  (f) 循环最后10次的GCD曲线

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结论

(1)以电化学法制备的EGNs为骨架，PPy为碳源，CTAB为模板剂，构建了氮掺杂碳纤维包覆石墨烯纳米片复合材料。氮掺杂碳纳米纤维相互连通，均匀地包覆生长在石墨烯纳米片层表面。

(2) NFGNs-800复合材料的氮含量为11.53%，比表面积为477.65 m²/g。NFGNs-800表现出优异的电容特性。在电流密度为1.0 A•g^-1时比电容323.3 F•g^-1，且具有良好的倍率特性。NFGNs-800超级电容器在功率密度为10.5 kW•kg^-1时，能量密度为87.1 Wh•kg^-1；经过10000次恒流充放电循环后，比电容保持率95.9%，库伦效率保持在99%以上。

(3) NFGNs复合材料优异的电容特性主要归因于其独特的结构。相互连通的NCNF与EGNs构建成3D的多级空间结构，为电解液离子的扩散提供了空间。掺杂的氮原子可以提高电极材料表面的电活性，产生赝电容提高材料的比电容。内层的EGNs骨架具有良好的导电性，在充放电过程中可以作为小的集电器加速电子的传递。

原文出处：

氮掺杂碳纤维包覆石墨烯纳米片的构建及电容特性

阚侃，王珏，付东，郑明明，张晓臣

2022，50（2）：94-102

Doi：10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000461

信息来源：公众号【材料工程】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。