用于半导体应用的新型掺杂石墨烯纳米复合电极

使用功能化的功率存储电极材料制造可折叠超级电容器是一项挑战，这些材料可提供良好的密度，功率输出和延长的耐用性，而不会发生电池变形。研究人员提出了一种新型的g-C₃N_4.7/N-掺杂石墨烯纳米复合电极材料，通过降低界面电阻表现出强大的电荷转移特性。

研究方向：N掺杂石墨烯调制富N氮化碳，实现一种有前途的全固态柔性超级电容器。图片来源：Rost9 / Shutterstock.com

高能存储设备的需求

备受期待的可持续当代能源框架已经建立，并且已经做出了认真的努力来满足当前电力使用的需求。可伸缩储能系统，如弹性电池、超级电容器（SC）、电池存储以及医疗保健和电子产品中质量和体积小的便携式或可折叠电子产品，在这个领域是非常需要的。

为什么柔性超导体是首选？

与电池相比，具有高能量和功率密度、快速充放电能力、高耐用性、减少热量产生和易于制造等独特性能的柔性SC引起了人们的广泛兴趣。

然而，在制造柔性SC时存在一些挑战，包括低能量密度和较差的循环稳定性，这限制了它们在日常实施中的使用，以及缺乏大规模技术来制造具有出色拉伸强度的敏捷SC设备。

利用碳作为电极材料

几种碳材料，包括生物炭，碳纳米管，碳纤维，石墨，石墨氮化碳（g-C）₃N₄），以及其他一些，已被研究为轻质可折叠双电层电容器（EDLC）电极，SC的一种形式。其中，石墨烯和g-C₃N₄由于具有特定的好处，已成为最有前途的可伸缩电极材料。

石墨氮化碳的优点

由于g-C3N4中可能存在大量的N掺杂，它被认为是一种优良的电极材料，允许更高的电负性和充足的电子供应。其强大的石墨化和电学性质增加了空间电子传输，并使很大比例的活性化学活性离子参与伪超电容电荷转移。

石墨烯和g-C₃N₄然而，当用作单独的EDLC物质时，确实具有较低的电容器电压。这种较差的电荷存储活性归因于致密分层导致超薄石墨烯层的聚集，而g-C的根本缺点₃N₄是其低表面能和非活性基材。

为增强属性而进行的修改

进行了与杂原子的生物共轭，建立亚纳米孔，将其他活性炭积累到石墨烯片，以及EDLC与伪电容物质的缠绕等尝试，以减轻分层电位并消除碳质材料的无用性。

然而，几乎所有这些物质仍然被发现具有较差的比电容和功率效率作为单独的EDLC电极和低容量保持（可再生性）。在柔性SC中尚未采用它们的组合。

根据最新的研究，当氮分子在特定的碳结构域之前插入时，由石墨烯和g-C3N4材料制成的复合材料可以表现出显着更好的柔性SC效率，并且由于额外的氮而预计会诱导假电容（PC）。

研究成果

采用两步合成方法制备了具有多通道孔的富虫绳状N型石墨氮化碳纳米晶体.XRD检查显示，所有试样都表现出与（002）反射轴相对应的强峰，表明它们都是纯石墨。这些发现表明，g-C₃N_4.7在2D-N掺杂石墨烯上有效包被，形成g-C₃N_4.7/N-掺杂石墨烯杂化。

透射电子显微镜（TEM）图像分析说明了NCN样品的一维拓扑特性，揭示了被薄CN壁包围的大孔多通道管状结构。在制备的NGS界面上，透射电镜图片显示出优异的少层厚层状/片状结构和丰富的相互连接的皱纹结构。

多层框架是通过堆叠N掺杂石墨烯片而开发的，这些片材是不间断的，不透明的，并且扭曲在一起。由于NCN的介孔结构，NCN/NGS复合结构可以产生较大的表面积，同时还可以改善表面孔隙度。

奈奎斯特图表明，NCN/NGS的体积抗性非常差（R_b， 1.28 厘米²） 和电极电解质电荷传递阻抗 （R_克拉， 2.22 厘米²） 与 NCN、BCN 和 NGS 底物形成对比时。PVDF是一种电解集成隔膜，含有PVDF，可抵抗电极材料与电解质之间的接触，从而产生高体积和电阻率。

适应性强的全固态SC的较好性能归功于g-C的良好装配形貌导向结构₃N_4.7/N-掺杂石墨烯杂化。

定义明确的形态导向NCN/NGS设计是一种适用于新型高性能超级电容器的电化学电池材料。

参考

Antil, B. et. al. (2022) N-doped graphene modulated N-rich carbon nitride realizing a promising all-solid-state flexible supercapacitor. Journal of Energy Storage, Volume 52. 104731. Available at: https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104731