In pursuing higher energy density with no sacrifice of power density, a supercapacitor-battery hybrid energy storage device—combining an electrochemical double layer capacitance (EDLC) type positive electrode with a Li-ion battery type negative electrode—has been designed and fabricated. Graphene is introduced to both electrodes: an Fe3O4/graphene (Fe3O4/G) nanocomposite with high specific capacity as negative electrode material, and a graphene-based three-dimensional porous carbon material (3DGraphene) with high surface area (∼3355 m2 g−1) as positive electrode material. The Fe3O4/G nanocomposite shows a high reversible specific capacity exceeding 1000 mA h g−1 at 90 mA g−1 and remaining at 704 mA h g−1 at 2700 mA g−1, as well as excellent rate capability and improved cycle stability. Meanwhile the 3DGraphene positive electrode also displays great electrochemical performance. With these two graphene-enhanced electrode materials and using the best recommended industry evaluation method, the hybrid supercapacitor Fe3O4/G//3DGraphene demonstrates an ultrahigh energy density of 147 W h kg−1 (power density of 150 W kg−1), which also remains of 86 W h kg−1 even at high power density of 2587 W kg−1, so far the highest value of the reported hybrid supercapacitors. Furthermore, the energy density of the hybrid supercapacitor is comparable to lithium ion batteries, and the power density also reaches that of symmetric supercapacitors, indicating that the hybrid supercapacitor could be a very promising novel energy storage system for fast and efficient energy storage in the future.

Until now, few sp2 carbon materials simultaneously exhibit superior performance for specific surface area (SSA) and electrical conductivity at bulk state. Thus, it is extremely important to make such materials at bulk scale with those two outstanding properties combined together. Here, we present a simple and green but very efficient approach using two standard and simple industry steps to make such three-dimensional graphene-based porous materials at the bulk scale, with ultrahigh SSA (3523 m2/g) and excellent bulk conductivity. We conclude that these materials consist of mainly defected/wrinkled single layer graphene sheets in the dimensional size of a few nanometers, with at least some covalent bond between each other. The outstanding properties of these materials are demonstrated by their superior supercapacitor performance in ionic liquid with specific capacitance and energy density of 231 F/g and 98 Wh/kg, respectively, so far the best reported capacitance performance for all bulk carbon materials.

Porous carbon electrodes have emerged as important cathode materials for metal-air battery systems. However, most approaches for fabricating porous carbon electrodes from biomass are highly energy inefficient as they require the breaking down of the biomass and its subsequent reconstitution into powder-like carbon. Here, enzymes are explored to effectively hydrolyze the partial cellulose in bulk raw wood to form a large number of nanopores, which helps to maximally expose the inner parts of the raw wood to sufficiently dope nitrogen onto the carbon skeletons during the subsequent pyrolysis process. The resulting carbons exhibit excellent catalytic activity with respect to the oxygen reduction and oxygen evolution reactions. As-fabricated cellulose-digested, carbonized wood plates are mechanically strong, have high conductivity, and contain a crosslinked network and natural ion-transport channels and can be employed directly as metal-free electrodes without carbon paper, polymer binders, or carbon black. When used as metal-free cathodes in zinc-air batteries, they result in a specific capacity of 801 mA h g-1 and an energy density of 955 W h kg-1 with the long-term stability of the batteries being as high as 110 h. This work paves the way for the ready conversion of abundant biomass into high-value engineering products for energy-related applications.

A series of sp(2) carbon materials with different specific surface area (SSA) and controlled pore size distribution (PSD) were synthesized at large scale through a facile and low-cost method. The SSA and PSD of these carbon materials were controlled by using different carbon sources and preparation methods. With different total and effective SSA (E-SSA) and PSD, the impacts on their capacitance performance were investigated thoroughly, which demonstrated that both E-SSA and PSD played the most important roles in their capacitance performance. Furthermore, theoretical modeling was performed, and the results are in agreement with the experimental results for the influence of E-SSA and PSD on their capacitance performance. Based on these, a general model using the slit/cylindrical NL-DFT approach is proposed for the estimation of the specific capacitance of sp(2) carbon materials, which offers a simple but reliable method to predict the capacitance performance of these materials, thus speeding up the design and screening of the materials for high-performance supercapacitor and other surface area related devices.

Abstract Most two-dimensional (2D) covalent organic frameworks (COFs) are non-fluorescent in the solid state even when they are constructed from emissive building blocks. The fluorescence quenching is usually attributed to non-irradiative rotation-related or π–π stacking-caused thermal energy dissipation process. Currently there is a lack of guiding principle on how to design fluorescent, solid-state material made of COF. Herein, we demonstrate that the eclipsed stacking structure of 2D COFs can be used to turn on, and tune, the solid-state photoluminescence from non-emissive building blocks by the restriction of intramolecular bond rotation via intralayer and interlayer hydrogen bonds among highly organized layers in the eclipse-stacked COFs. Our COFs serve as a platform whereby the size of the conjugated linkers and side-chain functionalities can be varied, rendering the emission colour-tuneable from blue to yellow and even white. This work provides a guide to design new solid-state emitters using COFs.

Achieving homogeneous phase transition and uniform charge distribution is essential for good cycle stability and high capacity when phase conversion materials are used as electrodes. Herein, we show that chemical lithiation of bulk 2H-MoS2 distorts its crystalline domains in three primary directions to produce mosaic-like 1T′ nanocrystalline domains, which improve phase and charge uniformity during subsequent electrochemical phase conversion. 1T′-LixMoS2, a macroscopic dense material with interconnected nanoscale grains, shows excellent cycle stability and rate capability in a lithium rechargeable battery compared to bulk or exfoliated-restacked MoS2. Transmission electron microscopy studies reveal that the interconnected MoS2 nanocrystals created during the phase change process are reformable even after multiple cycles of galvanostatic charging/discharging, which allows them to play important roles in the long term cycling performance of the chemically intercalated TMD materials. These studies shed light on how bulk TMDs can be processed into quasi-2D nanophase material for stable energy storage.

Supercapacitors based on activated carbon prepared from various pollens show good specific capacitance (207 F g(-1) ) and large gravimetric and volumetric energy density (∼88 Wh kg(-1) and ∼44 Wh L(-1) , respectively) in ionic liquid electrolytes, which are much better than those of RP20 (commercial activated carbon) or graphene-based supercapacitors.

Interface confined reactions, which can modulate the bonding of reactants with catalytic centres and influence the rate of the mass transport from bulk solution, have emerged as a viable strategy for achieving highly stable and selective catalysis. Here we demonstrate that 1T'-enriched lithiated molybdenum disulfide is a highly powerful reducing agent, which can be exploited for the in-situ reduction of metal ions within the inner planes of lithiated molybdenum disulfide to form a zero valent metal-intercalated molybdenum disulfide. The confinement of platinum nanoparticles within the molybdenum disulfide layered structure leads to enhanced hydrogen evolution reaction activity and stability compared to catalysts dispersed on carbon support. In particular, the inner platinum surface is accessible to charged species like proton and metal ions, while blocking poisoning by larger sized pollutants or neutral molecules. This points a way forward for using bulk intercalated compounds for energy related applications.