In Situ One-Step Synthesis of Hierarchical Nitrogen-Doped Porous Carbon for High-Performance Supercapacitors

碳化 超级电容器 材料科学 氮气 多孔性 化学工程 碳纤维 电容 电极 复合材料 有机化学 复合数 化学 扫描电子显微镜 工程类 物理化学
作者
Ju‐Won Jeon,Ronish Sharma,Praveen Meduri,Bruce W. Arey,Herbert T. Schaef,Jodie L. Lutkenhaus,John P. Lemmon,Praveen K. Thallapally,Manjula I. Nandasiri,B. Peter McGrail,Satish K. Nune
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:6 (10): 7214-7222 被引量:304
标识
DOI:10.1021/am500339x
摘要

A hierarchically structured nitrogen-doped porous carbon is prepared from a nitrogen-containing isoreticular metal-organic framework (IRMOF-3) using a self-sacrificial templating method. IRMOF-3 itself provides the carbon and nitrogen content as well as the porous structure. For high carbonization temperatures (950 °C), the carbonized MOF required no further purification steps, thus eliminating the need for solvents or acid. Nitrogen content and surface area are easily controlled by the carbonization temperature. The nitrogen content decreases from 7 to 3.3 at % as carbonization temperature increases from 600 to 950 °C. There is a distinct trade-off between nitrogen content, porosity, and defects in the carbon structure. Carbonized IRMOFs are evaluated as supercapacitor electrodes. For a carbonization temperature of 950 °C, the nitrogen-doped porous carbon has an exceptionally high capacitance of 239 F g–1. In comparison, an analogous nitrogen-free carbon bears a low capacitance of 24 F g–1, demonstrating the importance of nitrogen dopants in the charge storage process. The route is scalable in that multi-gram quantities of nitrogen-doped porous carbons are easily produced.
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