分級多孔碳(HPC)因其高比表面積、優異的孔隙結構以及良好的導電性成為制備超級電容器的潛在理想材料。然而，單純的HPC比電容不理想，儲能能力較差，難以滿足超級電容器的儲能需要。通過向将HPC内摻雜赝電容材料結合制備的複合材料能通過EDLC和赝電容機制的協同作用獲得更好的電化學性能，如高循環穩定性、高功率和能量密度。是以，開發一種直接、靈活且環保的方法來以可控的方式建構基于生物質的N、P共摻雜HPC，以實作合理的極性表面和優異的孔結構，具有極高的吸引力，但仍是一個巨大的挑戰。
閩江學院盧麒麟團隊，以殼聚糖作為碳骨架，以植酸作為分子橋、造孔劑、活化劑和磷源，通過“原位共摻雜/自調節活化”的政策建構了氮、磷共摻雜的炭氣凝膠。最終得到的氮、磷共摻雜分級多孔碳展現出了高比電容、卓越的速率能力和電化學穩定性，并能同其水凝膠前驅體共同組裝成性能優異的柔性超級電容器。研究發現，NPC炭氣凝膠能在較低的碳化溫度（600 ℃）及較短的碳化時間(60 min)下，實作發達的互連多孔架構、高比表面積（1494.8 m2 g-1）和極高水準雜原子摻雜量（12.67% N , 2.21% P）和高缺陷石墨結構（AD/AG=2.45）。在三電極體系下，NPC炭氣凝膠在1 A g-1電流密度條件下具有449 F g-1的高比電容，且在50 A g-1電流密度下保持 282 F g-1，并具有出色的速率能力和卓越的電化學穩定性。進一步評估了NPC電容特性和離子轉移特性，得益于豐富的雜原子摻雜含量，NPC-600-5的慢速動力學過程在1 mV s-1時高達29.7%，其溶液電阻（Rs）和電荷轉移電阻（Rct）分别為0.21Ω和0.07Ω，展現出超快的離子轉移能力。此外，基于NPC//CPPC//NPC 組裝而成的準固态柔性超級電容器具有27.06 Wh kg-1的出色儲能能力、寬工作溫度範圍（-20℃—60℃）、顯著的循環穩定性和超強的可折疊能力。相關成果近期以“Chitosan-based high-performance flexible supercapacitor via “in-situ co-doping/self-regulation-activation” strategy為題發表在International Journal of Biological Macromolecules上。論文的第一作者為碩士研究所學生王漢琛，通訊作者為盧麒麟副教授。該研究得到了國家自然科學基金(32301529)、福州市科技重大“揭榜挂帥”項目（2023-ZD-007）、福建省生态産業綠色技術重點實驗室開放基金（WYKF-EIGT2023-4）和閩江學院青年人才優培計劃的資助。圖文導讀
圖1 NPHPC的合成機理及柔性超級電容器的建構示意圖
圖2 (a) NPC-500-5、(b) NPC-600-5、(c) NPC-700-5、(d) NPC-800-5 (e) NPC-600-0、(f) NPC-600-3、(g) NPC-600-7的SEM圖像。(h)NPC-600-5的SEM-EDS mapping圖像
圖3 NPCs的電化學性能
圖4 NPC-600-5的電化學動力學分析
圖5 柔性超級電容器性能分析通訊作者簡介：盧麒麟，閩江學院副教授，“閩都學者”特聘教授，福建省高層次人才。主要從事可再生纖維低碳材料研究，包括生物質基納米材料、納米發電機和可穿戴裝置、柔性傳感器、功能紡織材料等，主持國家自然科學基金，福建省科技創新重點項目，中國博士後科學基金面上一等，福建省自然科學面上基金，福州市科技重大“揭榜挂帥”項目十餘項，參與“十三五”國家重點研發計劃項目等。以第一/通訊作者在Nano Energy, Carbohydrate Polymers, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, International Journal of Biological Macromolecules等國際SCI期刊上發表論文30餘篇，授權發明專利27件。
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https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.133346來源：高分子科學前沿