π-Conjugated molecule mediated self-doped hierarchical porous carbons via self-stacking interaction for high-energy and ultra-stable zinc-ion hybrid capacitors

堆积 杂原子 材料科学 化学工程 碳纤维 分子 纳米技术 化学 有机化学 复合材料 复合数 戒指(化学) 工程类
作者
Chengmin Hu,Yang Qin,Ziyang Song,Pingxuan Liu,Li Wang,Hui Duan,Yaokang Lv,Li Xie,Mingxian Liu,Lihua Gan
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:658: 856-864 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.12.144
摘要

Understanding the self-stacking interactions in precursors can facilitate the preparation of high-performance carbon materials and promote the commercial application of zinc ion hybrid capacitors (ZIHCs). Here, a π-conjugated molecule mediated pyrolysis strategy is presented to prepare carbon materials. Taking intermolecular force simulation (reduced density gradient plots) as a guide, the relationship between the self-stacking interactions in π-conjugated molecules and the structural parameters of carbon materials can be extrapolated. The resultant self-doped hierarchical porous carbons (NHPCs) derived from 1, 8, 4, 5-naphthalenetetracarboxdiimide with suitable self-stacking interactions empower the highest specific surface areas (2038 m2/g) and surface opening macropores. The NHPCs-based ZIHCs deliver a high capacity of 220 mAh/g, a high energy density of 149.5 Wh kg−1 and a super-stable cycle lifespan with 93.2 % capacity retention after 200, 000 cycles. The excellent electrochemical performance roots in the superior hierarchical porous structure with surface opening macropores, which guarantees the structural stability of carbon cathodes upon repeated rounds. Meanwhile, the heteroatom doping further relieves the kinetics concern of Zn2+ uptake/removal to enhance O-Zn-N binding particularly at high discharge currents. Besides, the proton-assisted Zn2+ dual-ion storage mechanism plays an essential role in the energy storage process. This work demonstrates a facile synthesis method and advances the fundamental understanding of its dual-ion storage mechanism.
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