Cesium-Mediated Porous Carbon Synthesis For Capacitive Energy Storage
Creators: name: Li, Jiaxin
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: poröser Kohlenstoff
subject: Cäsium
subject: Kondensation
subject: Aktivierung
subject: Kondensatoren
subject: porous carbons
subject: cesium
subject: condensation
subject: activation
subject: capacitors
subject: 541 Physikalische Chemie

description: Poröse Kohlenstoffe sind aufgrund ihrer großen Oberfläche, ihrer anpassbaren Porengröße und -zusammensetzung, ihrer guten Leitfähigkeit und Stabilität für die kapazitive Energiespeicherung unverzichtbar. Die effiziente Synthese von porösen Kohlenstoffen mit großer Oberfläche und hoher Ausbeute ist für Anwendungen im großen Maßstab von entscheidender Bedeutung. Herkömmliche Aktivierung und Templatisierung sind aufgrund aggressiver Chemikalien und komplexer Prozesse unbefriedigend. Die Selbsttemplatisierung durch direkte Pyrolyse metallischer organischer Salze bietet eine vielversprechende Alternative, führt jedoch zu geringen Ausbeuten (&lt; 4 %) und begrenzten Oberflächen (&lt; 2000 m²/g). Diese Arbeit untersucht Cäsiumsalze von Carbonsäuren als selbsttemplatierende Vorläufer, um sowohl Ausbeute als auch Oberfläche von porösen Kohlenstoffen zu erhöhen. Die Verwendung von Cäsiumacetat als einzigem Vorläufer führt zu porösen Kohlenstoffen mit großen Oberflächen von bis zu 3000 m²/g und Porenvolumen von bis zu 2 cm³/g. Cäsiummaleate erhöhen die Ausbeute weiter auf 25 %, während Oberflächen von etwa 3000 m²/g erhalten bleiben. Die Interkalation von Cäsiumionen ist der primäre Aktivierungsmechanismus. Durch Anpassen des Massenverhältnisses von Harnsäure zu Cäsiumacetat entstehen poröse Kohlenstoffe mit unterschiedlichen Porengrößen, wobei Zusammensetzung und Oberfläche ähnlich bleiben. Diese porösen Kohlenstoffe weisen eine hohe Kapazität und Zyklenstabilität in Superkondensatoren, Zn-Ionen- oder Na-Ionen-Kondensatoren auf. Supermikroporen sind für eine hohe Kapazität entscheidend, während Mesoporen die Ratenleistung und Zyklenstabilität verbessern. Insgesamt zeigt diese Arbeit, wie Cäsium die Kohlenstoffwissenschaft revolutioniert hat, indem es einen einfachen Syntheseprozess, niedrigere Temperaturen, große Oberflächen und anpassbare Porositäten bietet.
description: Porous carbons are essential for capacitive energy storage due to their large surface area, tunable pore size and composition, good conductivity, and stability. Efficient synthesis of high surface-area porous carbons with high yield is crucial for large-scale applications. Traditional activation and templating are unsatisfactory due to harsh chemicals and complex processes. Self-templating via direct pyrolysis of metallic organic salts offers a promising alternative, but results in low yields (&lt; 4%) and limited surface areas (&lt; 2000 m²/g). This thesis explores cesium salts of carboxylic acids as self-templating precursors to enhance both yield and surface area of porous carbons. Using cesium acetate as the sole precursor results in porous carbons with high surface areas up to 3000 m²/g and pore volume up to 2 cm³/g. Cesium maleates further increase yields to 25% while maintaining surface areas around 3000 m²/g. Cesium ion intercalation is the primary activation mechanism. Adjusting the mass ratio of uric acid to cesium acetate yields porous carbons with varying pore sizes, maintaining similar compositions and surface areas. These porous carbons exhibit high capacity and cycling stability in supercapacitor, Zn-ion, or Na-ion capacitors. Supermicropores are crucial for high capacity, while mesopores improve rate performance and cycling stability. Overall, this thesis shows how cesium revolutionize carbon science, offering a facile synthesis process, lower temperatures, large surface areas, and tunable porosities.