大豆粕衍生氮掺杂多孔碳SCP-N-n的高倍率充放电性能与机理研究

本文推荐：该研究通过高温退火技术制备了具有丰富氮缺陷的大豆粕衍生多孔碳材料（SCP-N-n），系统评估了其在H2SO4电解液中的电化学性能。结合物理表征、动力学分析和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了其高倍率性能的机理：氮掺杂形式（吡啶N、吡咯N等）协同提升导电性和伪电容（Pseudocapacitance），介孔/大孔结构促进离子传输。SCP-N-800在0.5 A/g下比电容达186.9 F/g，40 A/g时容量保持率62.9%，循环10,000次后容量保留94.1%，为高性能超级电容器（Supercapacitor）设计提供了新思路。

　　

Highlight

氮掺杂多孔碳SCP-N-n通过大豆粕高温退火制备，其优异的倍率充放电性能源于独特的物理化学特性：非晶态结构、丰富的氮缺陷（吡啶N、吡咯N、石墨化N和氧化N）以及优化的孔道分布。石墨化N和氧化N增强导电性，而吡啶N和吡咯N与H⁺反应生成伪电容（Pseudocapacitance）。

Physical characteristics

XRD显示SCP-N-n为长程无序的非晶碳材料（图1A），各向同性特性利于电解液浸润。拉曼光谱证实高缺陷密度（I_D/I_G > 1），BET测试显示介孔/大孔主导的孔结构（S_BET达1733.3 m²/g）。XPS分析揭示四种氮形态共存，其中石墨化N占比最高（~40%）。

Conclusions

在H₂SO₄电解液中，SCP-N-800的双电层电容（EDLC）和伪电容贡献率分别为56.5%和43.5%（扫描速率200 mV/s）。其高倍率性能（0.5 A/g下186.9 F/g）和循环稳定性（10,000次循环后94.1%保持率）归因于导电网络构建、快速离子传输通道及氮缺陷的协同效应。

Data and code availability

所有数据、模型及代码均已在文中呈现。

CRediT authorship contribution statement

杨发明（Fan-Ming Yang）：撰写、数据分析；龙雪怡（Xue-Yi Long）：实验支持；龙胜（Sheng Long）：数据整理；何国文（Guo-Wen He）：资源统筹与基金资助。

Declaration of competing interest

作者声明无利益冲突。

Acknowledgments

感谢湖南省自然科学基金（2025JJ70380）和谭伟石教授的表征分析支持。