Oxygen Functional Group Modification of Cellulose-Derived Hard Carbon for Enhanced Sodium Ion Storage

阳极 纤维素 电化学 氧气 碳纤维 化学 吸附 化学工程 无机化学 材料科学 有机化学 电极 复合数 复合材料 物理化学 工程类
作者
Hua Wang,Fei Sun,Zhibin Qu,Kunfang Wang,Lijie Wang,Xinxin Pi,Jihui Gao,Guangbo Zhao
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:7 (22): 18554-18565 被引量:142
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.9b04676
摘要

Oxygen-containing groups in carbon materials have been demonstrated to be effective in the anodic sodium-ion storage process; however, the effect of specific oxygen-containing groups on the sodium-ion storage in the carbon framework remains to be explored. Based on a mechanochemical process (exemplified by ball milling in the presence of dry ice), a selectively modified cellulose-derived hard carbon (BHC-CO2) with a high oxygen content of 19.33 at. % and carboxyl-dominant groups was prepared in this work. The fabricated BHC-CO2 anode exhibits excellent electrochemical performance with a high reversible capacity of 293.5 mA h g–1 at a current density of 0.05 A g–1, two times as high as that of the oxygen-deficient BHC-CO2-H2 anode, demonstrating the significant role of oxygen-containing groups in enhancing the Na+ storage. Moreover, the BHC-CO2 anode has an excellent high-rate cycling stability with a specific capacity of 80.0 mA h g–1 even after 2000 cycles at 1 A g–1. Qualitative analyses of capacitive effect combined with density functional theory calculations further reveal that carboxyl groups introduced by the mechanochemical process facilitate Na+ adsorption on the carbon surface, enhancing the capacitive Na+ storage process and thus greatly improving the capacity. This work demonstrates the role of carboxyl on Na+ storage by carbonaceous materials and provides theoretical guidance for the oxygen functional group modification of carbon materials to enhance the sodium-ion storage.
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