Metal-organic frameworks-derived carbon modified wood carbon monoliths as three-dimensional self-supported electrodes with boosted electrochemical energy storage performance

超级电容器 材料科学 杂原子 碳化 碳纤维 电容 电化学 储能 化学工程 功率密度 纳米技术 电极 多孔性 复合材料 化学 有机化学 复合数 扫描电子显微镜 戒指(化学) 功率(物理) 物理 物理化学 量子力学 工程类
作者
Peng Song,Caixia Chen,Xiaoping Shen,Shiping Zeng,Subramanian Premlatha,Zhenyuan Ji,Linzhi Zhai,Aihua Yuan,Qi Liu
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:620: 376-387 被引量:40
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2022.04.048
摘要

Wood-derived carbon monoliths, in recent years, have attracted tremendous interest in the field of energy storage, but their electrochemical characteristics are still far from satisfactory. Here, we report a universal and efficient approach for the preparation of structure-engineered, heteroatom-functionalized and property-boosted wood carbons. A two-step ion-exchange process greatly enriches the nucleation sites of ZIF-8 on the inner wall of wood tracheids, hence leading to a unique carbon/carbon heterostructure after carbonizing and acid-washing. Particularly, the prepared NPCM-900 with a large specific surface area of 708.2 m2 g-1, a hierarchical porous architecture and a suitable N content of 2.3% delivers an ultrahigh area-normalized specific capacitance of 23.7 F cm-2 at 5 mA cm-2, which stands for a new capacitive record among the wood-based binder-free electrodes. The NPCM-900//NPCM-900 all-solid-state supercapacitor has an admirable energy density of 9.3 Wh m-2 at 24.9 W m-2 and a large power density of 248.3 W m-2 at 4.8 Wh m-2, while the NPCM-900 based Zn-ion hybrid supercapacitor (NPCM-900//Zn) exhibits a superior energy density of 12.7 Wh m-2. Furthermore, the NPCM-900//NPCM-900 and NPCM-900//Zn present great stabilities with capacitance retentions of 87% and 85%, respectively, after 5000 cycles. These parameters notably outperform those of most wood-based supercapacitors, endowing the NPCM-900 with extensive prospects for practical use.
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