青大：以PI废料为原料制备碳材料，用于高性能超级电容器应用

成果简介

高性能、环保的超级电容器碳电极材料对学术界和工业界来说仍然是一个挑战。本文，青岛大学张健敏副教授团队在《Energy Fuels》期刊发表名为“Hierarchically Porous and Nitrogen-Rich Carbon Materials Derived from Polyimide Waste for High-Performance Supercapacitor Applications”的论文，研究以氢氧化钾（KOH）为活化剂，通过简单的水热处理和碳化制备了聚酰亚胺废料（PI）衍生的多级多孔和富氮碳材料。系统研究了KOH/预氧化PI质量比和水热处理时间对形貌、化学和晶体结构以及电化学性能的影响。

有趣的是，用KOH溶液进行水热处理可以促进预氧化PI的渗透和破坏，从而增强活化效果并形成分层多孔结构。经过水热处理（例如，PIC2-24h）的多孔碳的比表面积（SSA）高达2593 m2 g–1，远大于未经水热处理的多孔碳（PIC2）。所制备的PIC2-24h在1Ag–1下表现出229 F g–1的高比电容、优异的速率性能（在10 Ag–2下表现出205 F g–2）和优异的循环稳定性（在1Ag–1下20000次循环后保持94%的容量），揭示了这些PI衍生的多孔碳材料不仅可以减轻由PI废物处理引起的环境压力，而且还为高性能超级电容器应用提供了理想的候选电极。

图文导读

图1.PI废料衍生多孔碳的制备过程示意图.

图2.KOH的量对碳化过程中多孔碳结构的形成有显著影响

图3。（a） XRD图谱，（b）拉曼光谱，（c）N2吸收-解吸等温线，以及（d）PIC0、PIC0.5、PIC2和PIC4的孔径分布。

图4.（a） XRD图谱，（b）拉曼光谱，（c）N2吸收-解吸等温线，以及（d）PIC2、PIC2-12h、PIC2-24h和PIC2-48h的孔径分布。

图5.（a） 5 mV s–1时PIC2 xh硬币电池的CV曲线。

（b） 在1 M H2SO4中，PIC2 xh的硬币电池在1 A g–1时的GCD曲线。

（c） 不同扫描速率下PIC2-24h硬币电池的CV曲线。

（d） 在1M H2SO4中，不同电流密度下PIC2-24h硬币电池的GCD曲线。

（e） 不同电流密度下的比电容。

（f） 带有PIC2-xh的硬币单元的奈奎斯特图（插图：高频区域的放大视图）。

（g） 在1ag–1的电流密度下，PIC2-24h硬币电池的循环稳定性和库仑效率。

小结

这项工作发现，通过控制水热处理和KOH活化碳化过程中的某些参数（如时间和质量比），可以从聚酰亚胺废料中得到分层和规则的多孔碳材料，这不仅缓解了聚酰亚胺废料处置和再利用方面日益增长的环境压力，而且为超级电容器应用的高性能电极材料提供了一个很好的选择。

文献：

https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.2c03896