DOI:10.1016/j.carbon.2020.07.049
在這項研究中，通過兩步合成技術，即靜電紡絲和化學氣相沉積（CVD）方法，制備了分層的3D氮摻雜碳納米管-碳纖維（N-CNT@CF）網絡。掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）顯示隨機糾纏的網絡結構。拉曼光譜表明存在結構缺陷，X射線衍射光譜（XRD）證實了材料的純度，而BET分析顯示氮摻雜后比表面積增加。電化學分析表明，即使在低循環速率下，氮摻雜也能維持表面受限的能量存儲機制（即高功率），從而顯著增加了對稱器件的比電容（155 F/g）、比能量（5.5 Wh kg-1）和比功率（254 W kg-1），即使在10 A g-1下進行10,000次循環后，其電容保持率為93％。與基于N-CNT@CF的單元（約25.1Hz，40ms）相比，基于CNT@CF的對稱單元顯示出更高的fo值（約82Hz，響應時間為12ms）。N-CNT@CF雜化材料的優異性能得益于氮摻雜碳納米管與碳納米纖維之間的協同作用所產生的法拉第電荷貢獻、高電導率、高表面積以及足夠的電化學反應活性位。這項工作強調了缺陷工程和用氮氣修飾空位在構建高性能超級電容器中的重要性。
圖1：通過靜電紡絲和化學氣相沉積（CVD）法制備N-CNF@CF網絡的步驟。靜電紡絲包括將10％聚丙烯腈溶解在DMF中，使用靜電紡絲設置（DC為9kV，流速為500μL/h）以形成PAN納米纖維，該纖維在280℃下穩定并用Fe-Co催化劑改性，然后進行CVD（在氬氣存在下，用C2H2和CH3CN在800℃下處理10分鐘），生成N-CNT@CF。
圖2：（a）Fe-Co@CFs，（b）CNT@CF網絡（插圖顯示高倍率圖像），（c）N-CNT@CF網絡（插圖顯示高倍率圖像）的TEM圖像，以及（d）CFs，（e）CNT@CF網絡和（f）N-CNT@CF網絡的SEM圖像。
圖3：（a）CFs、CNTs、CNT@CF網絡和N-CNT@CF網絡的P-XRD圖譜；（b）CFs、（c）CNTs、（d）CNT@CF網絡和（e）N-CNT@CF網絡的去卷積（002）衍射峰。
圖4：（a）CFs、（b）CNTs、（c）CNT@CF網絡和（d）N-CNT@CF網絡的拉曼光譜。
圖5：N-CNT@CF網絡的N構型。
圖6：（a）CNT@CF和N-CNT@CF網絡的BET吸附解吸曲線，以及（b）孔徑分布曲線（插圖代表孔徑為2-6nm）。
圖7：CNT@CF網絡和N-CNT@CF網絡的XPS全掃描光譜。
圖8：XPS光譜顯示（a，c，e）CNT@CF和（b，d，f）N-CNT@CF網絡的去卷積（a，b）C1s，（c，d）N1s和（e，f）O1s。
圖9：（a）CFs、CNTs、CNT@CF和N-CNT@CF在5 mV/s掃描速率下的CV曲線，（b）CFs、CNTs、CNT@CF和N-CNT@CF在0.5 A g-1下的GCD比較，（c）比較不同電流密度下的比電容，（d）所有四種電極材料的奈奎斯特圖。
圖10：在陰極方向獲得的（a）CNT@CF和（b）N-CNT@CF的對數峰值電流與對數掃描速率的關系；在5 mV s-1下的循環伏安測試中，獲取的（c）CNT@CF和（e）N-CNT@CF在電容和擴散過程中的典型電荷存儲貢獻。在5-100 mV/s下，獲取的（d）CNT@CF和（f）N-CNT@CF在電容和擴散過程中的電荷存儲百分比的比較直方圖。
圖11：（a）CFs、CNTs、CNT@CF和N-CNT@CF在50 mV/s掃描速率下的CV曲線（b）：N-CNT@CF在不同掃描速率下的CV曲線，（c）CFs、CNTs、CNT@CF和N-CNT@CF在0.5 A/g下的GCD比較，（d）比較不同電流密度下的比電容，（e）第10,000個循環之前和之后獲得的基于CNT@CF和N-CNT@CF的對稱超級電容器的奈奎斯特圖（插圖為用于擬合奈奎斯特圖的等效電路），（f）第10,000個循環之前和之后獲得的基于N-CNT@CF的對稱超級電容器的庫倫效率和電容保持率。
圖12：（a）Ragone圖和（b）由N-CNT@CF超級電容器點亮的1.6V紅色LED燈泡的圖像。
