Nanoporous Hollow Carbon Spheres Derived from Fullerene Assembly as Electrode Materials for High-Performance Supercapacitors

超级电容器 材料科学 碳化 比表面积 介孔材料 化学工程 电解质 纳米孔 碳纤维 电容 电极 纳米技术 电化学 复合材料 扫描电子显微镜 复合数 有机化学 化学 催化作用 工程类 物理化学
作者
Katsuhiko Ariga,Zexuan Wei,Subramaniam Gokulnath,Rekha Goswami Shrestha,Ravi Singh,Marappan Sathish,Renzhi Ma,Jonathan P. Hill,Junji Nakamura,Katsuhiko Ariga
出处
期刊:Nanomaterials [MDPI AG]
卷期号:13 (5): 946-946
标识
DOI:10.3390/nano13050946
摘要

The energy storage performances of supercapacitors are expected to be enhanced by the use of nanostructured hierarchically micro/mesoporous hollow carbon materials based on their ultra-high specific surface areas and rapid diffusion of electrolyte ions through the interconnected channels of their mesoporous structures. In this work, we report the electrochemical supercapacitance properties of hollow carbon spheres prepared by high-temperature carbonization of self-assembled fullerene-ethylenediamine hollow spheres (FE-HS). FE-HS, having an average external diameter of 290 nm, an internal diameter of 65 nm, and a wall thickness of 225 nm, were prepared by using the dynamic liquid-liquid interfacial precipitation (DLLIP) method at ambient conditions of temperature and pressure. High temperature carbonization (at 700, 900, and 1100 °C) of the FE-HS yielded nanoporous (micro/mesoporous) hollow carbon spheres with large surface areas (612 to 1616 m2 g−1) and large pore volumes (0.925 to 1.346 cm3 g−1) dependent on the temperature applied. The sample obtained by carbonization of FE-HS at 900 °C (FE-HS_900) displayed optimum surface area and exhibited remarkable electrochemical electrical double-layer capacitance properties in aq. 1 M sulfuric acid due to its well-developed porosity, interconnected pore structure, and large surface area. For a three-electrode cell setup, a specific capacitance of 293 F g−1 at a 1 A g−1 current density, which is approximately 4 times greater than the specific capacitance of the starting material, FE-HS. The symmetric supercapacitor cell was assembled using FE-HS_900 and attained 164 F g−1 at 1 A g−1 with sustained 50% capacitance at 10 A g−1 accompanied by 96% cycle life and 98% coulombic efficiency after 10,000 consecutive charge/discharge cycles. The results demonstrate the excellent potential of these fullerene assemblies in the fabrication of nanoporous carbon materials with the extensive surface areas required for high-performance energy storage supercapacitor applications.
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