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Cellulose-Solvent-Assisted, One-Step Pyrolysis to Fabricate Heteroatoms-Doped Porous Carbons for Electrode Materials of Supercapacitors

杂原子 超级电容器 材料科学 化学工程 介孔材料 电极 电化学 多孔性 溶剂 纤维素 硫脲 热解 碳纤维 掺杂剂 电容 兴奋剂 纳米技术 有机化学 复合材料 化学 催化作用 复合数 工程类 物理化学 光电子学 戒指(化学)
作者
Peidong Fan,Jia Ren,Kanglei Pang,Yu Cheng,Xiao‐Feng Wu,Zhiguo Zhang,Junkai Ren,Wei Huang,Rui Song
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:6 (6): 7715-7724 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.8b00589
摘要

A low-priced, ecofriendly and sustainable strategy to fabricate materials of superior electrochemical property is of paramount importance for the development of supercapacitors (SCs). Herein, heteroatoms-doped porous carbons (HPCs) were prepared from waste newspapers (WNPs) with the assistance of cellulose solvent, i.e., aqueous solution consisting of NaOH, urea, and thiourea (NUT, for short); subsequently, the resultant HPCs were applied as materials for SCs electrodes. Innovatively, the NUT solution acts simultaneously as solvent for WNPs, activating agent, and co-dopants (N, S, and O) in the subsequent preparation of HPCs materials. Interestingly, the porous structure and doping content of HPCs are tunable by changing the related feed ratio between NaOH and WNPs (WNaOH/WWNPs = 0.5, 1.0, and 1.5), along with the pyrolysis temperature (600, 700, and 800 °C). The appropriate porosity along with the surface doped by heteroatoms (N, S, and O) of the obtained HPCs result in superior electrochemical performance endowing them with potential for high performance SCs. CS3-T800 exhibits a maximum specific capacitance of 308 F g–1 (1 A g–1) and excellent cycle capability (94.0% of capacitance retention after 5000 charge/discharge cycles) in a three-electrode system. Moreover, the CS3-T800-based symmetric SCs exhibit a energy density of 10.48 Wh kg–1 and power density of 250 W kg–1, all making it a promising electrode material for SCs. The enhancement mechanism for the porous carbon electrode reveals that rationally designed mesopores and micropores are more critical in porous electrode performance. This work hereby provides an excellent paradigm to produce highly porous and conductive carbons from biomass like WNPs for various energy-storage applications.
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