Self-templating synthesis strategy of oxygen-doped carbon from unique wasted pulping liquid directly as a cathode material for high-performance zinc ion hybrid capacitors

电容器 阴极 材料科学 碳纤维 兴奋剂 化学工程 化学 复合材料 冶金 光电子学 复合数 电气工程 工程类 物理化学 电压
作者
Yanjie Yi,Songqing Hu,Chao Liu,Yan Yan,Lirong Lei,Yi Hou
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:675: 569-579 被引量:26
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.07.056
摘要

Affinity and storage capacity for zinc ions of the electrode materials are crucial factors on the properties of zinc ion hybrid capacitors (ZHICs). Wasted pulping liquor with abundant carbohydrates, lignin and inorganic matter served as a unique precursor to produce embedded oxygen-doped hierarchical porous carbon directly through a one-step carbonization process in this investigation. In carbonization process, lignin can serve effectively as the carbon framework, carbohydrates not only act as sacrificial templates but also offer a plentiful oxygen source which can increase the affinity for Zn2+, and sodium-containing inorganic substances plays a role as hard templates to optimize the pore structure. The resulting porous carbon under carbonization temperature of 800 °C shows a high specifical area of 2186 m2g−1 with oxygen content of 4.8 %, which can reduce the adsorption energy of Zn2+ from −0.16 eV to −0.32 eV through electrochemical techniques and density functional theory (DFT) calculations, the incorporation of oxygen was demonstrated to enhance the adsorption and desorption kinetics of Zn2+, suggesting a bright future for application in the domain of energy storage. The resulting ZIHC assembly showcases a notable energy density of 84.6 Wh kg−1 at a power density of 359 W kg−1. Remarkably, even after 10,000 charge and discharge cycles, it exhibits exceptional cycle stability with retaining 86.56 % of its capacity. Consequently, this approach provides fresh insights for exploring the facile and commercial fabrication of biomass-derived cathodes for ZIHCs, thereby propelling the progress of eco-friendly energy storage devices.
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