碳纳米纤维表面多重化学吸附位点调控及其储锌特性

1. N-OPCNF正极具有比表面积大、亲水性强、Zn²⁺吸附活性位点多且吸附活性强等优点。

为了解决碳纳米纤维薄膜活性吸附位点少的问题，湖南大学张明教授课题组通过在碳纳米纤维上原位剥离出高吡啶/吡咯氮掺杂和羰基官能化纳米片，成功将多重化学吸附位点修饰到了碳纳米纤维表面。所获得的柔性自支撑N-OPCNF正极具有比表面积大、亲水性强、Zn²⁺吸附活性位点多且吸附活性强等优点。非原位表征分析和DFT计算的结果表明，在放电过程中羰基和吡啶/吡咯氮原子都可以作为Zn²⁺宿主，而高负电性的吡啶/吡咯氮原子还可以作为强电子受体诱导羰基电荷离域，从而提高羰基对Zn²⁺的吸附活性。因此，具有多重化学吸附位点的N-OPCNF正极表现出极高的能量/功率密度(98.28 Wh kg⁻¹和33.2 kW kg⁻¹)和超长期循环稳定性(在40 A g−1的电流密度下200000次循环后的容量保持率为99.2 %)。特别是，即使在14.45 mg cm⁻²的超高负载量下，N-OPCNF正极仍具有高电容保持率(保持初始值的66.3 %)。该项工作提出的表面工程策略有效解决了碳基ZIHCs缺乏活性Zn²⁺吸附位点的瓶颈问题，这一策略还可以推广到其他高性能储能器件的开发中。

如图1a所示，通过静电纺丝、氮掺杂和硝酸辅助氧化剥离技术构建了高吡啶/吡咯氮掺杂和羰基官能化纳米片修饰的碳纳米纤维薄膜。图1d展示的TEM图像清楚地显示N-OPCNF的表面具有剥离出的类石墨烯状碳纳米片。随后的XPS分析表明添加三聚氰胺作为额外氮源以及硝酸氧化成功地将高比例的氮(3.71 at%)和氧(13.75 at%)引入到N-OPCNF。

II N-OPCNF电化学性能测试

III N-OPCNF储锌机制

IV 储锌机理的理论模拟研究

高电负性的吡啶/吡咯氮掺杂剂不仅可以通过诱导羰基的电荷离域而大大降低羰基与Zn²⁺之间的结合能，而且还可以通过与羰基交联形成N-Zn-O键进一步促进Zn²⁺的吸附。