High efficiency supercapacitor derived from biomass based carbon dots and reduced graphene oxide composite

Biomass‐Derived Carbon Dots and Their Applications

“…The particle size of the BCDs is between 4 and 8 nm, and their QY is approximately 14.2% . In addition, kitchen waste (peels of fresh fruits/vegetables), cauliflower leaves, fish scales, and office waste paper can be used as biomass carbon sources to prepare BCDs, and the BCDs prepared have excellent properties. BCDs prepared from different leaf sources by simple and green method have different properties.…”

A Review on Multifunctional Carbon-Dots Synthesized From Biomass Waste: Design/ Fabrication, Characterization and Applications

“…Electrodes fabricated from C-Dots/reduced graphene oxide (rGO) composites derived from natural carbon precursor such as orange juice (Tibodee et al, 2020) and cauliflower leaf waste (Hoang et al, 2019) exhibited high specific capacitance and superior cycling stability. The high capacitance was greatly depending on the role of the C-Dots as the effective spacers in preventing restacking of graphene nanosheets, leading to greater surface area and pore volume.…”

Synthesis and Supercapacitor Performance of Histidine-functionalized Carbon Dots/Graphene Aerogel

“…超级电容器具有充放电迅速、功率密度高、循 环寿命长等优点，在储能领域中受到了广泛关注 [1][2] 。 然而， 超级电容器的能量密度远低于二次电池， 严重制约了其在电动汽车等需要较高能量密度的领 域的应用 [3] 。电极材料是提高超级电容器性能的关 键部分 [4] ，一般包括碳材料 [5] 、过渡金属氧化物 [6] 和导电聚合物 [7] 。其中碳材料因其高比表面积、出 色的导电性和稳定性而得到了广泛应用 [8][9][10] 。 在众多碳材料中，石墨烯具有大的理论比表面 积(2630 m 2 • g -1 )、优异的电导率以及低质量密度 [11] ， 然而，石墨烯片层之间强烈的 π-π 相互作用使其易 于 团聚， 导致实 际 比 电 容 远 低 于 理论值 (550 F• g -1 ) [12] 。 许多研究致力于制备三维多孔石墨烯或将 碳材料引入到石墨烯中来解决该问题。比如，Sun 等 [13] 制备的氮掺杂石墨烯气凝胶，在 0.25 A• g -1 电 流密度下，比电容达到 204 F• g -1 。 Zhao 等 [14] 将介 孔碳球引入到石墨烯中，有效抑制了石墨烯片的团 聚，在 1 A• g -1 下，比电容达到 242.3 F• g -1 。然而， 石墨烯基电极材料的电容性能仍难以满足实际应用 的需求，需要进一步设计开发高性能的石墨烯基电 极材料。 碳点(CDs)作为一类新型的零维碳材料(尺寸一 般小于 10 nm)，不仅来源广泛、毒性低、环境友好 和化学性质稳定，而且具有独特的量子限域效应、 边缘效应和荧光效应等特性，被广泛应用在生物成 像、传感器、光电催化等领域 [15][16][17] 。小尺寸的 CDs 具有丰富的边缘位点和官能团，且易功能化、引入 特殊的活性基团，能够作为纳米填充剂提升复合材 料的电化学性能 [18][19][20] 。比如，Wei 等 [19] 采用浸渍-煅烧法合成出氮氧磷共掺杂碳点/多孔碳复合材料。 本 课 题 组 [20] 制备了 色 氨 酸 功 能 化 石 墨 烯 量 子 点 [2] 。称取 40 mg GO 分散在 40 mL 去离子水中， 超声 3 h。 将一定质量的 His-CDs 分散在 GO 分散液 中，快速搅拌 10 min，然后超声 30 min。将获得的 His-CDs/GA 分散液转移到高压反应釜中， 于 180 ℃ 反应 12 h。冷却至室温后洗涤。最后通过冷冻干燥 获得 His-CDs/GA。 为研究 His-CDs 添加量对复合材 料电化学性能的影响，分别制备了 GO:His-CDs 质…”

“…His-CDs/GA-2 位于 2θ=24.6°处和 His-CDs/GA-3 位 于 2θ=24.9°处出现的衍射峰均对应于石墨烯的(002) 晶面，由布拉格方程计算出其对应的层间距分别为 0.352、0.360、0.362 和 0.357 nm。相对于 GA， His-CDs/GA-1、His-CDs/GA-2 和 His-CDs/GA-3 的 层间距都有不同程度的提高，说明 His-CD 的引入 能够增加石墨烯片的层间距，这有利于电解液离子 的快速传输 [11] 。另外，四个样品在 2θ=43.2°处的 弱衍射峰，对应于石墨烯的(100)晶面。样品的拉曼 光谱图如图 S3 所示，1350 cm -1 处的 D 带来自于样 品中无序和缺陷的 sp 3 杂化的碳，1600 cm -1 处的 G 带 来自于样 品 中 sp 2 杂化的石 墨 化 碳 [10] 。 His-CDs/GA-1、His-CDs/GA-2 和 His-CDs/GA-3 的 D 带与 G 带的强度比(ID/IG)分别为 1.02、 1.04 和 1.03， 均略高于 GA(0.99)，表明引入 His-CDs 能够增加复 合材料的缺陷并加剧无序化程度，从而提供更多的 电化学活性和缺陷位点 [22] 。 图 4 GA、His-CDs/GA-1、His-CDs/GA-2 和 His-CDs/GA-3 的 XRD 图谱 GA 、 His-CDs/GA-1 、 His-CDs/GA-2 和 His-CDs/GA-3 的氮气吸附/脱附等温线如图 S4(a)所 示。4 种样品在相对压力(p/p0)为 0.4~1.0 之间均出 现明显的滞后环，具有典型的 IV 型特征，说明样品 均 存 在 介 孔 结 构 [8] 。 GA 、 His-CDs/GA-1 、 His-CDs/GA-2 和 His-CDs/GA- 3 [11] 。吡啶氮和吡咯氮 表示 N 原子取代了五元环中的 C 原子， 能够给碳骨 架造成大量的缺陷。这有利于增强赝电容性能，从 而提高电极的整体比电容 [5] 。此外，吡啶氮具有更 大的偶极矩，能够降低活性材料和电解质界面处的 电荷转移电阻 [23] 。His-CDs/GA-2 的 C 1s 和 O 1s 谱 图如图 S5(a~b)所示。C 1s 光谱中，284.8、285.4、…”

“…His-CDs/GA-1、His-CDs/GA-2 和 His-CDs/GA-3 的 比电容保持率分别为 65.4%、71.4%和 62.3%，均高 于 GA(57.6%)。His-CDs/GA 倍率性能的提高，主要 归功于 His-CDs 增加了石墨烯片的层间距以及其边 缘的含氮和含氧基团增强了活性材料的润湿性，从 而加快了电解液离子的扩散 [8,11] His-CDs/GA-2 和 His-CDs/GA-3 的倍率性能图(c)；GA 和 His-CDs/GA-2 在 10 A• g -1 下的循环性能图(d) Fig. 7 CV curves at different scan rates (a) and GCD curves at different current densities (b) of His-CDs/GA-2; Rate capabilities of GA, His-CDs/GA-1, His-CDs/GA-2 and His-CDs/GA-3 (c); Cycling performances of GA and His-CDs/GA-2 at 10 A• g -1 (d)…”