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One-step synthesis of polymer based N-doped porous carbon with enriched nitrogen content and its enhanced electrochemical properties in supercapacitors

超级电容器 电化学 碳纤维 化学工程 氮气 多孔性 聚合物 材料科学 兴奋剂 纳米技术 化学 有机化学 电极 复合材料 复合数 光电子学 工程类 物理化学
作者
Yude Zhang,Fuyao Deng,Qian Zhang,Baolin Xing,Jinli Shang,Jia Lin
出处
期刊:Journal of energy storage [Elsevier BV]
卷期号:55: 105494-105494 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.est.2022.105494
摘要

N-doped porous carbon (N-PC) is considered as a promising candidate for electrochemical energy storage. However, the complicated multistep process is the biggest bottleneck. Here, a facile one-step strategy was employed to fabricate the N-doped porous carbon via the co-pyrolysis of urea and poly(acrylic acid- co -maleic acid) sodium salt (PAMS) without the protection of inert gas at 550 °C. When the mass ratio of urea to PAMS is 4:1, the microstructure and electrochemical properties of the as-prepared sample (N-4PC) are obviously improved compared with that of the direct carbonization of PAMS (PC). N-4PC presents salient peculiarities with much more mesopores, higher specific surface area of 181.5 m 2 g −1 far more than PC (23.6 m 2 g −1 ), and its nitrogen content is up to 10.61 at. %. In a three-electrode configuration using 6 M KOH, owing to the synergistic effect of pyridinic N, pyrrolic N and graphitic N atoms, N-4PC shows an outstanding specific capacity of 210 F g −1 far more than that of PC (93 F g −1 ) at 1 A g −1 , and a significant capacity retention rate of 79 % much higher than PC (47 %) at 20 A g −1 . Furthermore, the symmetric supercapacitor fabricated by N-4PC delivers an attractive specific capacitance of 140 F g −1 at 1 A g −1 , and 4.9 Wh kg −1 energy density when the power density is 265 W kg −1 in 6 M KOH. The equipment achieves superior cycle stability with capacity retention of 97 % after 7000 cycles at 1 A g −1 . Additionally, N-4PC also achieves great energy densities of 6.7 Wh kg −1 at the power density of 372.3 W kg −1 in 1 M H 2 SO 4 and 12.5 Wh kg −1 at the power density of 521.5 W kg −1 in 1 M Li 2 SO 4 . The fabricated nitrogen-doped porous carbon material has a great potential application prospect in energy storage equipment. Fig. 1. Schematic of the synthetic process of PC and N-4PC with its mechanism of enhanced electrochemical performance. • N-PC was prepared by facile co-pyrolysis at low temperature in air atmosphere. • N-doping tuned the porous structure of N-PC. • N-doping effectively improved the electrochemical properties of N-PC. • Polymer sodium salt is an excellent precursor to prepare porous carbon.
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