Grafeno dopado con nitrógeno para ultracapacitores de alto rendimiento y la importancia de los sitios dopados con nitrógeno en los planos basales

Aunque se ha demostrado con éxito que varios nanomateriales de carbono, incluidos el carbono activado, los nanotubos de carbono y el grafeno, son adecuados para ultracapacitores de alto rendimiento, sus capacitancias necesitan mejorarse aún más para aplicaciones más amplias y desafiantes. En este trabajo, utilizando grafeno dopado con nitrógeno producido por un simple proceso de plasma, desarrollamos ultracapacitores cuyas capacitancias (∼280 F/g(electrodo)) son aproximadamente 4 veces mayores que las de sus contrapartes a base de grafeno puro, sin sacrificar otras propiedades esenciales y útiles para las operaciones de ultracapacitores, incluyendo una excelente vida útil del ciclo (>200,000), alta capacidad de potencia y compatibilidad con sustratos flexibles. Mientras intentábamos comprender la capacitancia mejorada utilizando microscopía de fotoemisión de barrido con capacidad para sondear configuraciones de enlace nitrógeno-carbono locales dentro de una sola capa de grafeno, observamos características microscópicas interesantes de configuraciones de N: sitios dopados con N incluso en planos basales, distribuciones distintivas de configuraciones de N entre bordes y planos basales, y sus evoluciones distintivas con la duración del plasma. Los mapeos locales de configuración de N durante el tratamiento con plasma, junto con la energía de enlace calculada por teoría de funcionales de densidad, revelaron que el origen de la capacitancia mejorada es una cierta configuración de N en planos basales.