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Erschienen in: Journal of Materials Science 31/2021

16.08.2021 | Energy materials

Nitrogen-doped biomass-derived porous carbon spheres for supercapacitors with ultrafast charge/discharge rate up to 2.5 V s−1

verfasst von: Jingting Bu, Zhipeng Zhou, Xiaomin Wu, Chenying Zhang, Zhen Li

Erschienen in: Journal of Materials Science | Ausgabe 31/2021

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Abstract

Biomass-derived carbon materials are often applied in green energy storage systems like supercapacitors due to the abundance, facile access, low cost and nontoxicity. In this work, biomass-derived porous carbon spheres (PCSs) have been prepared by the carbonization and etching of sodium alginate (SA). Using polyacrylic acid (PAA) as a template, N-doped graphene quantum dots (N-GQDs) are grown evenly on the surface of the PCSs, which drastically improves the pseudocapacitive activity and electrical conductivity. The prepared N-GQD/PCS/PAA electrode has a remarkable specific capacitance of 419.3 F g−1 at 1 A g−1. The symmetric supercapacitor assembled with N-GQD/PCS/PAA electrode exhibits a great specific capacitance of 337.5 F g−1 at 0.5 A g−1. Particularly, the device displays an ultrafast charge/discharge rate of 2.5 V s−1, demonstrating excellent rate capability and structural stability. The supercapacitor based on N-GQD/PCS/PAA possesses high energy density of 11.72 W h kg−1 and excellent cycle stability. A high mass loading (9.18 mg cm−2) with the energy density of 8.54 W h kg−1 is also investigated to realize the practical application for the device. In general, a novel biomass-derived carbon electrode modified with highly electrochemical active N-doped graphene quantum dots has been constructed to provide an effective way for high performance energy storage.

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Literatur
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Zurück zum Zitat Cao F, Zhao M, Yu Y, Chen B, Huang Y, Yang J, Cao X, Lu Q, Zhang X, Zhang Z, Tan C, Zhang H (2016) Synthesis of two-dimensional CoS1.097/nitrogen-doped carbon nanocomposites using metal-organic framework nanosheets as precursors for supercapacitor application. J Am Chem Soc 138(22):6924–6927. https://doi.org/10.1021/jacs.6b02540CrossRef Cao F, Zhao M, Yu Y, Chen B, Huang Y, Yang J, Cao X, Lu Q, Zhang X, Zhang Z, Tan C, Zhang H (2016) Synthesis of two-dimensional CoS1.097/nitrogen-doped carbon nanocomposites using metal-organic framework nanosheets as precursors for supercapacitor application. J Am Chem Soc 138(22):6924–6927. https://​doi.​org/​10.​1021/​jacs.​6b02540CrossRef
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Zurück zum Zitat Lai F, Miao YE, Zuo L, Lu H, Huang Y, Liu T (2016) Biomass-derived nitrogen-doped carbon nanofiber network: a facile template for decoration of ultrathin nickel-cobalt layered double hydroxide nanosheets as high-performance asymmetric supercapacitor electrode. Small 12(24):3235–3244. https://doi.org/10.1002/smll.201600412CrossRef Lai F, Miao YE, Zuo L, Lu H, Huang Y, Liu T (2016) Biomass-derived nitrogen-doped carbon nanofiber network: a facile template for decoration of ultrathin nickel-cobalt layered double hydroxide nanosheets as high-performance asymmetric supercapacitor electrode. Small 12(24):3235–3244. https://​doi.​org/​10.​1002/​smll.​201600412CrossRef
Metadaten
Titel
Nitrogen-doped biomass-derived porous carbon spheres for supercapacitors with ultrafast charge/discharge rate up to 2.5 V s−1
verfasst von
Jingting Bu
Zhipeng Zhou
Xiaomin Wu
Chenying Zhang
Zhen Li
Publikationsdatum
16.08.2021
Verlag
Springer US
Erschienen in
Journal of Materials Science / Ausgabe 31/2021
Print ISSN: 0022-2461
Elektronische ISSN: 1573-4803
DOI
https://doi.org/10.1007/s10853-021-06389-w

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