Skip to main content
. 2023 Oct 26;37(23):17836–17862. doi: 10.1021/acs.energyfuels.3c02714

Table 3. Quantum Capacitance of Carbon and 2D-Material-Based Supercapacitor Electrodes Based on the Theoretical Calculationsa.

electrode material dopant(s)/metal adsorbed/ion intercalated quantum capacitance, CQ method of determination/approach
graphene38 pristine 2.55 μF/cm2 at 0 V ab initio density functional theory (DFT)
vacancy defect 44.38 μF/cm2 at 0 V
Stone–Wales defect 120.72 μF/cm2 at 0 V
silicon (Si) 169.76 μF/cm2 at −0.29 V
49.02 μF/cm2 at 0.11 V
aluminum (Al) 113.73 μF/cm2 at −0.39 V
79.89 μF/cm2 at 0.06 V
phosphorus (P) 76.73 μF/cm2 at −0.3 V
56.07 μF/cm2 at 0.45 V
boron (B) 112.52 μF/cm2 at 0 V
Al + Stone–Wales defect 102.61 μF/cm2 at −0.38 V
B + Stone–Wales defect 76.18 μF/cm2 at −0.42 V
P + Stone–Wales defect 59.36 μF/cm2 at 0.12 V
sulfur (S) + Stone–Wales defect 88.31 μF/cm2 at −0.46 V
graphyne19 α-graphyne 78.7 F/g at 0 V (42.6 F/g for graphene) ab initio DFT
β-graphyne 541.3 F/g at 0 V
B-doped α-graphyne 4531.9 F/g at 0.26 V
B-doped β-graphyne 3626.2 F/g at 0.25 V
B-doped γ-graphyne 3587.7 F/g at 0.16 V
N-doped α-graphyne 1196.3 F/g at 0.48 V
N-doped β-graphyne 1472.9 F/g at 0.12 V
N-doped γ-graphyne 1221.1 F/g at −0.06 V
O-doped α-graphyne 4120.7 F/g at 0.27 V
O-doped β-graphyne 1417.7 F/g at −0.02 V
O-doped γ-graphyne 1586.5 F/g at −0.60 V
graphdyne73 pristine 1805 F/g at −0.6 V (264 F/g for graphene) DFT-based first-principles calculations
5.56% B 4317 F/g at −0.3 V
5.56% nitrogen (N) 6150 F/g at 0.6 V
single-walled carbon nanotube122 Sc 52.58 μF/cm2 at −0.6 eV ab initio spin-polarized DFT
Cr 43.21 μF/cm2 at −0.6 eV
Fe 55.91 μF/cm2 at −0.35 eV
Ni 59.74 μF/cm2 at 0.29 eV
Co 31.40 μF/cm2 near 0 V
Ti 41.36 μF/cm2 near 0 V
vanadium 33.54 μF/cm2 near 0 V
Mn 36.94 μF/cm2 near 0 V
Cu 52.73 μF/cm2 at −0.47 eV
Zn 50.87 μF/cm2 at −0.11 eV
transition metal dichalcogenides (TMD) monolayer MoS284 S substitution by N 203.047 μF/cm2 at Fermi energy ab initio DFT
S substitution by F 139 μF/cm2 at Fermi energy
S substitution by Cl 252 μF/cm2 at Fermi energy
S substitution by As 189.672 μF/cm2 at Fermi energy
S substitution by Sb 188.955 μF/cm2 at Fermi energy
S substitution by Se 0.595 μF/cm2 at Fermi energy
Mo substituted by Co 152.794 μF/cm2 at Fermi energy
Mo substituted by Cu 191.658 μF/cm2 at Fermi energy
Mo substituted by Ni 202.439 μF/cm2 at Fermi energy
Mo substituted by vanadium 263.721 μF/cm2 at Fermi energy
5.5% S vacancy 0.190 μF/cm2 at Fermi energy
11% S vacancy 2.5 μF/cm2 at Fermi energy
16.5% S vacancy 33.665 μF/cm2 at Fermi energy
11.5% Mo vacancy 209.733 μF/cm2 at Fermi energy
three-layered 1T-MoS2115 pristine* 2063.49 F/g at −0.2 V ab initio DFT HASI, horizontally aligned similar ions; DASI, diagonally aligned similar ions; and VASI, vertically aligned similar ions
H+ ion intercalated* 2419.04 F/g at 0.005 V
Li+ ion intercalated* 2342.85 F/g at 0.005 V
Na+ ion intercalated* 2787.30 F/g at −0.002 V
K+ ion intercalated* 2736.5 F/g at −0.002 V
three-layered 2H-MoS2115 pristine* 772.09 F/g at −0.5 V
H+ ion intercalated* 474.42 F/g at −0.008 V
K+ ion intercalated* 3302.32 F/g at 0.3 V
Li+ ion intercalated* 3004.65 F/g at 0.3 V
Na+ ion intercalated* 3246.51 F/g at 0.3 V
LiNa intercalated (HASI) 3163 F/g at 0.3 V
LiNa intercalated (DASI) 3111 F/g at 0.3 V
LiNa intercalated (VASI) 3143 F/g at 0.3 V
2D heterostructure MoS2/graphene83 pristine 16.36 μF/cm2 at −0.2 V ab initio DFT
carbon vacancy* 74.4 μF/cm2 at −0.32 V
Mo vacancy* 258.13 μF/cm2 at 0.08 V
S vacancy* 273.98 μF/cm2 at 0.11 V
Sc 73.12 μF/cm2 at −0.2 V
Sc@S vacancy 166.51 μF/cm2 at −0.06 V
Ti 75.21 μF/cm2 at −0.2 V
V 48.26 μF/cm2 at −0.2 V
Cr 23.44 μF/cm2 at −0.2 V
Mn 77.56 μF/cm2 at −0.2 V
Fe 206.30 μF/cm2 at −0.2 V
Fe@Mo vacancy 309.15 μF/cm2 at 0.11 V
Fe@S vacancy 144.95 μF/cm2 at 0.16 V
Co 45.97 μF/cm2 at −0.2 V
Co@Mo vacancy 304.02 μF/cm2 at −0.47 V
Co@S vacancy 207.94 μF/cm2 at −0.18 V
Ni 16.19 μF/cm2 at −0.2 V
Ni@S vacancy 283.11 μF/cm2 at 0.37 V
MXene Nb2C94 pristine 324.1 μF/cm2 at 0.5 V ab initio DFT
Ti2C94 pristine 246.2 μF/cm2 at 0.5 V
V2C96 pristine 3465.51 μF/cm2 at −0.5 V
Mo2C96 pristine 3243.99 μF/cm2 at −0.5 V
Ti3C299 pristine 398.19 μF/cm2 at −0.072 V ab initio DFT
H terminated 212.10 μF/cm2 at −0.072 V
O terminated 158.87 μF/cm2 at −0.072 V
F terminated 244.27 μF/cm2 at −0.072 V
OH terminated 296.28 μF/cm2 at −0.072 V
Li adsorbed 291.23 μF/cm2 at −0.072 V
Na adsorbed 359.19 μF/cm2 at −0.072 V
K adsorbed 289.45 μF/cm2 at −0.072 V
Ca adsorbed 342.65 μF/cm2 at −0.072 V
Mg adsorbed 364.69 μF/cm2 at −0.072 V
Al adsorbed 398.193 μF/cm2 at −0.072 V
Li adsorbed on F terminated 228.833 μF/cm2 at −0.408 V
Na adsorbed on F terminated 227.076 μF/cm2 at −0.432 V
K adsorbed on F terminated 222.581 μF/cm2 at 0.048 V
Ca adsorbed on F terminated 242.453 μF/cm2 at −0.408 V
Mg adsorbed on F terminated 224.492 μF/cm2 at −0.432 V
Al adsorbed on F terminated 488.153 μF/cm2 at 0.12 V
Ti2C99 pristine 272.37 μF/cm2 at 0.048 V
H terminated 135.36 μF/cm2 at 0.048 V
O terminated 48.22 μF/cm2 at 0.048 V
F terminated 184.98 μF/cm2 at 0.048 V
OH terminated 157.79 μF/cm2 at 0.048 V
Li adsorbed 187.85 μF/cm2 at 0.048 V
Na adsorbed 152.41 μF/cm2 at 0.048 V
K adsorbed 219.72 μF/cm2 at 0.048 V
Ca adsorbed 159.61 μF/cm2 at 0.048 V
Mg adsorbed 132.96 μF/cm2 at 0.048 V
Al adsorbed 444.192 μF/cm2 at 0.312 V
Li adsorbed on F terminated 259.490 μF/cm2 at −0.24 V
Na adsorbed on F terminated 247.689 μF/cm2 at 0.048 V
K adsorbed on F terminated 231.497 μF/cm2 at 0.048 V
Ca adsorbed on F terminated 220.885 μF/cm2 at 0.048 V
Mg adsorbed on F terminated 226.881 μF/cm2 at 0.048 V
Al adsorbed on F terminated 252.554 μF/cm2 at 0.072 V
δ-6 borophene111 1 layer in aqueous electrolyte 203.09 μF/cm2 at −0.6 V DFT
4 layers in aqueous electrolyte 600.36 μF/cm2 at −0.15 V
1 layer in ionic liquid electrolyte 209.24 μF/cm2 at −1 V
4 layers in ionic liquid electrolyte 663.27 μF/cm2 at −1 V
silicene107 pristine 363.66 F/g at −0.5 V DFT
monovacancy 711.20 F/g at −0.25 V
trivacancy 673.41 F/g at −0.5 V
six vacancy 2004.54 F/g at 0.50 V
germanene108 pristine 3.51 μF/cm2 at 0 V (minimum) DFT
N doped 45.32 μF/cm2 at 0.01 V
Ti doped 91.47 μF/cm2 at 0.20 V
Cr doped 40.96 μF/cm2 at −0.20 V
Mn doped 39.36 μF/cm2 at −0.03 V
Co doped 59.70 μF/cm2 at 0.32 V
B/Co doped 146.99 μF/cm2 at −0.54 V
Co doped + vacancy 123.33 μF/cm2 at −0.42 V
B/Co doped + vacancy 116.46 μF/cm2 at −0.55 V
a

An asterisk represents the data estimated either from the plot using WebPlotDigitizer software authored by Ankit Rohatgi or available data from the reference.