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南开大学陈湧&刘育:柔性PAN/γ-CD-MOF碳膜电极的构建及其在超级电容器中的应用

2022-05-31   易丝帮

具有较高能量密度和功率密度的超级电容器(SCs)一直是研究的热点。在此,本文报道了一种柔性多孔碳膜超级电容器,该超级电容器由聚丙烯腈(PAN)与γ-环糊精-MOF(γ-CD-MOF)静电纺丝,然后在900℃下碳化制备而成。BET结果表明,该超级电容器保留了γ-CD、γ-CD-MOF骨架,以及由纺成纤维形成的尺寸分别为0.73、1.09和23-186nm的孔隙,其表面积高达134.7m2/g。分层多孔结构确保了快速的电荷转移和离子扩散,从而使PAN/γ-CD-MOF碳电极具有283.3F/g的高容量。此外,超级电容器的能量密度高达17.5Wh/kg,功率密度高达6kW/kg。值得注意的是,它在6000次循环后仍表现出良好的循环稳定性,电容保持率为97.5%。总体而言,这项工作提供了一种构建超级电容器用柔性多孔碳膜的超分子策略。

 

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图1.静电纺丝法制备PAN/γ-CD-MOF碳膜的示意图。

 

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图2.γ-CD-MOF的表征。(a)γ-CD-MOF的SEM图像,(b)TEM图像,(c)模拟晶体衍射图,以及所制备γ-CD-MOF的X射线粉末衍射图,(d)FT-IR光谱,(e)N2吸附/解吸等温线,和(f)孔径分布。

 

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图3.PAN/γ-CD-MOF碳膜的表征。(a)照片和柔性演示,(b)SEM图像,(c)EDS元素映射分析,和(d)TEM图像。

 

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图4.PAN/γ-CD-MOF碳膜的表征。(a)N2吸附/解吸等温线,(b)孔径分布,(c)拉曼光谱,以及(d)使用PAN/γ-CD-MOF碳膜作为电线点亮灯泡的照片。

 

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图5.PAN/γ-CD-MOF碳膜的XPS。(a)XPS光谱,(b)C1s XPS光谱,(C)O1s XPS光谱和(d)N1s XPS光谱。

 

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图6.PAN/γ-CD-MOF碳膜电极的电化学性能。(a)电极的阻抗谱。(b)不同扫描速率下电极的CV曲线。(c)不同电流密度下电极的GCD曲线。(d)根据GCD曲线计算的电极比电容与电流密度的函数关系。(e)电极在200mV/s扫描速率下的循环性能。(f)电极在第1、3000和6000次循环时的CV曲线。

 

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图7.基于两个PAN/γ-CD-MOF碳膜电极的对称SC的电化学性能。(a)对称SC的阻抗谱。(b)对称SC在不同扫描速率下的CV曲线。(c)对称SC在不同电流密度下的GCD曲线。(d)根据GCD曲线计算的对称SC比电容与电流密度的函数关系。(e)对称SC在200mV/s扫描速率下的循环性能。(f)电极在第1、3000和6000次循环时的CV曲线。

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