Sodium-chloride-assisted synthesis of nitrogen-doped porous carbon shells via one-step combustion waves for supercapacitor electrodes

材料科学 超级电容器 化学工程 杂原子 电极 碳纤维 燃烧 电容 电化学 纳米技术 化学 复合材料 有机化学 复合数 戒指(化学) 物理化学 工程类
作者
Seonghyun Park,Byungseok Seo,Dongjoon Shin,Kyungmin Kim,Wonjoon Choi
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:433: 134486-134486 被引量:73
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.134486
摘要

Heteroatom-doped, multiporous carbon structures are of considerable interest as high-performance electrochemical electrodes. However, their complex and time-consuming synthetic procedures impede a scalable production. Herein, a combustion-driven sodium-chloride-assisted synthesis route of nitrogen-doped, cube-like hierarchical porous carbon shells (N-C-HPCS) is developed for the electrode materials of supercapacitors. Free-standing hybrid films composed of nitrocellulose and NaCl particles serving as the chemical fuel layer and templates are prepared, and self-propagating combustion waves passing through the films within a few seconds fabricate controllable nitrogen-doped porous carbon (N-PC) after the simple removal of the templates by washing. The optimal tuning of thermochemical reactions through the nitrocellulose loadings leads to synthesizing the N-C-HPCS, while other precursors produce sparse or dense N-PC structures. Supercapacitor electrodes using the developed N-C-HPCS exhibit an outstanding specific capacitance (305F/g at 0.5 A/g) and retention at a high current density (∼78 % at 16 A/g), as well as long-term cyclic stability (∼116% after 10,000 cycles). The symmetric two-electrode cell exhibited high power and energy densities (8 kW/kg and 10.1 Wh/kg) and superb cycling stability (107.7 % after 10,000 cycles at 5 A/g). This work will inspire rational synthesis strategies for versatile N-PCs, useful for supercapacitors, batteries, catalysts, filters, and CO2 adsorption.
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