Insights into the Surface Oxygen Functional Group-Driven Fast and Stable Sodium Adsorption on Carbon

材料科学 吸附 杂原子 氧气 碳纤维 氧化还原 功能群 电化学 化学工程 介孔材料 复合数 有机化学 物理化学 化学 催化作用 复合材料 聚合物 电极 戒指(化学) 冶金 工程类
作者
Hanqing Zhao,Jianqi Ye,Wei Song,Dan Zhao,Mengmeng Kang,Hanting Shen,Zhong Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (6): 6991-7000 被引量:119
标识
DOI:10.1021/acsami.9b11627
摘要

Engineering the oxygen functional groups (OFGs) is a dynamic strategy to tune the surface chemistry and electrochemical properties of carbon-based materials. In this paper, the species and contents of OFGs on the surface of ordered mesoporous carbon (OMC) and their effects on the sodium storage performance are systematically investigated without the interference of interlayer distance variation, extrinsic defects, other heteroatoms (e.g., N, S), etc. Theoretical calculations performed on various OFGs demonstrate that quinones and carboxylic anhydride groups possess two C═O bonds with stable configurations, good electronic conductivity, and strong sodium adsorption capability, contributing greatly to the Na+ storage capacity compared to the carboxylic acid groups. The ex situ techniques disclose the evolution of the OFGs and manifest the stable coordination of Na+ with C═O bonds even after long cycles. The optimized OFGs boost the Na+ redox reaction kinetics and enhance the surface capacitance contribution, achieving a capacity enhancement of 64.7% compared to the pristine OMC. This work would present implications in rational designing of oxygen-functionalized carbon materials for energy storage fields.
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