Hierarchical porous carbon biochar nanotubes encapsulated metal nanocrystals with a strong metal-carbon interaction for high-performance supercapacitors

生物炭 碳纳米管 金属 超级电容器 材料科学 碳纤维 化学工程 多孔性 纳米晶 纳米技术 电化学 热解 复合数 化学 复合材料 冶金 电极 物理化学 工程类
作者
Hassan Idris Abdu,Sara Adnan Mahmood,Taslim Aboudou,Yaodong Guo,Nian Li,Xiaowei Lu,Ziyu Liu,Khouloud Jlassi,Jehad K. El‐Demellawi,Kamel Eid
出处
期刊:Ultrasonics Sonochemistry [Elsevier BV]
卷期号:: 107476-107476
标识
DOI:10.1016/j.ultsonch.2025.107476
摘要

Biomass-based engineered hierarchical porous carbons derived from biomass waste are deemed cost-effective and sustainable materials for supercapacitors, thanks to their tunable properties, e.g., high conductivity, and stability; however, their multiple preparation steps and low capacitance are deemed significant challenges. These issues were addressed herein through the rational design of hierarchical porous carbon nanotubes (p-CNTs) enriched with metal nanocrystals (M/p-CNTs) (M=Cu, Co, W, Bi, and Mo) via the ultrasonic impregnation of coconut silks in metal precursor solutions and pyrolysis under nitrogen. This approach promotes a green, one-pot method that eliminates the need for activation steps or hazardous chemicals, and endows the formation of nanotubes through a strong-metal carbon interaction, resulting in metal electron-deficiency, with a BET surface area of 288.6 m2/g, along with interconnected tri-modal porosity, which accelerates charge mobility and facilitates ion transport. These advantages significantly improved the performance of supercapacitors, which was fine-tuned by the intermolecular electron transfer between metals and p-CNTs, which reached the optimum specific capacitance of 558.1F/g at 0.5 A/g, energy density of 27.9 Wh/kg, and power density of 150/3000 W/kg at 1/10 A/g on Cu/p-CNTs, which was amongst highest reported for active supercapacitors. These findings pave the way for the simple and sustainable synthesis of active materials from biomass for energy storage devices.
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