陕西科技大学熊传银课题组--碳微管@氮掺杂石墨烯的制备及负载MnO2纳米壁作为高性能超级电容器和氧还原反应催化剂的双功能材料

近来，随着建设资源节约型和环境友好型社会的概念，开发绿色、可持续和多功能材料的想法变得越来越紧迫。因此，如何探索更多有效和可持续利用生物质资源的可能途径非常重要。本文首先通过浸渍和化学气相沉积相结合的方法，制备了一种新型的环保、可持续的3D双功能碳微管@氮掺杂还原氧化石墨烯（CMT@N-RGO）杂化材料。然后，将CMT@N-RGO杂化体作为出色的碳质支架，用于构建在能量存储和电催化方面具有高性能的分层杂化体。最后，我们成功地制备了具有良好的超电容和优异的氧还原反应（ORR）的CMT@N-RGO/MnO₂和CMT@N-RGO/PANI杂化物。简而言之，混合电池具有快速的充电/放电速率、出色的倍率性能，出色的电容保持率95％（93％）和高能效65-77％（61-72％）。另外，在氧还原反应中作为有效电催化剂的杂化体显示出较大的正起始电势0.12 V和半波电势0.21 V，这可以与商用Pt/C电极相比。改进的电容和电催化性能主要归因于CMT与NRGO/PANI（MnO₂）之间的协同作用。这些诱人的结果表明3D CMT@N-RGO/PANI（MnO₂）杂物有望成为用于超级电容器和ORR催化剂的高性能双功能材料。希望它能为我们开辟一种通用的方式，以设计和制造更多具有出色电化学性能、出色的氧还原反应性能和其他出色性能的多功能生物质基材料。

Figure 1. （a,b）CMT和（c,d）CMT@N-RGO在不同放大倍数下的SEM图像。（d）插图是CMT@NRGO的EDS。

Figure 2. 在不同（a）扫描速率和（b）电压窗口下，CMT@N-RGO的CV曲线。（c）在各种电流密度下，杂化物的GCD曲线。（d）CMT和CMT@N-RGO的奈奎斯特图。

Figure 3. （a,b）CMT@N-RGO/MnO₂纳米壁和（c,d）CMT@N-RGO/PANI纳米棒在不同放大倍数下的SEM图像。图（b,d）所示的插图分别是CMT@N-RGO/MnO₂纳米壁和CMT@N-RGO/PANI的EDS。

Figure 4. CMT@NRGO/MnO₂和CMT@N-RGO/PANI在不同的扫描速率和电流密度下的（a）CV曲线，（b）GCD曲线，（c）电容保持率和（d）比电容和能效的比较。

Figure 5. CMT@N-RGO/PANI杂化物的氧还原反应特性（a）在N₂和O₂饱和KOH溶液（0.1 M）中测试的CV曲线。（b）Pt/C，CMT和CMT@N-RGO/PANI的极化曲线的比较。（c）在不同转速下，CMT@N-RGO/PANI的极化曲线。

相关研究成果于2020年由陕西科技大学Chuanyin Xiong课题组，发表在Journal of Power Sources, 2020, 447, 227387上。原文：Fabrication of eco-friendly carbon microtubes@nitrogen-doped reduced graphene oxide hybrid as an excellent carbonaceous scaffold to load MnO₂ nanowall (PANI nanorod) as bifunctional material for high-performance supercapacitor and oxygen reduction reaction catalyst。