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Redefining the roles of alkali activators for porous carbon

碱金属 多孔性 碳纤维 化学 化学工程 材料科学 纳米技术 工程类 有机化学 复合材料 复合数
作者
Yonghui Zhang,Xinlong Xu,Qingxuan Geng,Wei Li,Xiuli Li,Yixuan Wang,Zihuan Tang,Biao Gao,Xuming Zhang,Paul K. Chu,Kaifu Huo
出处
期刊:Chemical Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:16 (4): 2034-2043 被引量:21
标识
DOI:10.1039/d4sc07145j
摘要

Alkali activation is a common method to prepare commercial porous carbon. In a mixed alkali activation system, the role of each individual alkali has generally been assumed to be the same as in a single alkali activation system, and the low corrosiveness of weak alkalis has mainly been emphasized. However, the intrinsic roles of the individual alkalis should be understood in detail and redefined to illuminate the activation pathways from the perspective of internal chemical reactions rather than corrosiveness. Herein, by combining in situ TG-MS analysis, DFT calculation and other characterizations, the activation processes were precisely tracked, and activation pathways were proposed. In the mixed alkali activation system, the strong alkali KOH served as the activation promoter, first decomposing into K2O, which then attacked the C-C bonds to form active reaction sites defined as pore seeds. The weak alkali K2CO3 acted as the activation pathway modifier; CO3 2- preferentially etched the pore seeds over K2O due to the lower reaction barrier of CO3 2- interacting with the pore seeds. Consequently, the rough etching reaction of KOH was replaced and suppressed by the gentler action of CO3 2-, forming more micropores. When the ratio of strong to weak alkali was 1 : 1, the obtained CK1K2-122 exhibited the highest microporosity (82.61%) and a high specific surface area (1962.18 m2 g-1). It exhibited a high specific capacitance of 296.7 F g-1 and excellent cycling stability with 98.3% retention after 10 000 cycles. The supercapacitor demonstrated a high energy density of 114.4 W h kg-1 at a power density of 17.5 kW kg-1, with a broad potential window of 3.5 V.
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