东南大学王育乔教授团队等在二维超级电容器电极材料研究取得进展

成果简介

当前，能源短缺和环境污染日益成为经济社会发展的重要障碍，大力发展可再生能源已经迫切成为研究热点。开发高容量和长期稳定的能量存储器件是实现可再生能源利用的关键技术之一。超级电容器是一种极具前景的能量存储器件，具有功率密度大、充放电速率快、循环寿命长以及成本低等优点，在电动汽车与便携式电子产品等领域发挥着不可替代的作用。CoP是一种极具应用潜力的超级电容器电极材料，Co元素呈现出两种不同类型的键合态，使其具有类金属特性、高的导电性以及超高的比容量等特点。虽然目前CoP的实际容量远低于其理论容量，另一方面，其电化学性能可以通过化学组分和形貌结构调控得以改善提升。

本文，东南大学的王育乔教授团队和重庆三峡学院谢昆教授团队合作在《Journal of Alloys and Compounds》期刊发表名为“MOF-derived Mo-CoP@NiFe LDH hierarchical nanosheets for high-performance hybrid supercapacitors”论文，研究通过共沉淀、刻蚀、磷化和水热的方法，在泡沫镍基底上构筑二元组分和片状结构的Mo-CoP@NiFe LDH复合纳米片结构（图1），并组装混合超级电容器，研究器件性能。

图1 、Mo-CoP@NiFe LDH复合纳米片示意图及电化学性能对比图

文章要点

要点一：MOF衍生的超薄纳米片作为导电骨架材料

二维超薄纳米片具有促进电子的传输、暴露充足的边缘活性位点等优点，被广泛应用于能源存储、电催化等领域。本文以Co-MOF为前驱体，通过刻蚀和磷化的方法制备MOF衍生的Mo-CoP纳米片。与未刻蚀得到的CoP纳米片相比，Mo-CoP纳米片的厚度仅为40 nm，主要原因可能是在刻蚀的过程中形成中空纳米片，磷化后体积收缩形成超薄纳米片。该超薄纳米片能够促进电子的传输、暴露充足的边缘活性位点，是良好的骨架材料。

要点二：复合纳米片结构提高电极的电化学性能

通过水热法在Mo-CoP纳米片上垂直生长NiFe LDH次级纳米片，得到具有分级结构的Mo-CoP@NiFe LDH复合纳米片。该复合纳米片结构内部具有丰富的孔道结构，有利于电子/离子传递并提供丰富的活性位点，提高电极材料的电导率和比容量。同时，分级纳米片之间相互支撑，有利于缓解电化学充放电过程中材料体积的膨胀和收缩，提高电极的稳定性。

要点三：分级结构和材料间的协同作用共同提高器件的性能

将Mo-CoP的高导电性和NiFe LDH的高容量特性进行有效结合，充分发挥材料间的协同作用，为氧化还原反应提供更多的氧化态。该特性得益于Mo-CoP@NiFe LDH独特的结构特征和复合材料之间的协同效应，Mo-CoP@NiFe LDH电极获得了高的比电容（1 A g-1时比电容为1655 C g-1）和优异的循环性能（在10 A g-1下循环8000次后容量保持率为79.6%）。构筑的混合超级电容器在800 W kg-1的功率密度下可以获得48.6 Wh kg-1的高能量密度，且在循环20000次后其电容保持率仍超过90.6%。该工作将为设计多元组分和多维结构的高性能超级电容器电极提供一种有效的调控策略。

图文导读

图2 (a) Mo-CoP@NiFe LDH制备示意图. (b) Co-MOF, (c) Mo-CoP, (d) CoP, (e-g) Mo-CoP@NiFe LDH电镜图, (h) Mo-CoP@NiFe LDH元素分布图.

图3 、(a) 样品X射线衍射图. (b, c) Mo-CoP@NiFe LDH纳米片透射电镜图.Mo-CoP@NiFe LDH高分辨透射电镜(d)和选区电子衍射图(e).

图4、样品X射线光电子能谱. (a) 全谱t图, (b-f) 元素高分辨谱图.

图5 (a, b, e, f) 样品电化学性能对比 (c, d) Mo-CoP @NiFe LDH电化学性能曲线

图6 (a) 样品在10 A g-1电流密度下的循环性能. (b) 峰电流和扫速的线性拟合. (c) 电容和扩散控制的比例.

图7 (a) Mo-CoP@NiFe LDH//AC器件在30 mV s-1下的不同区间CV曲线. (b, c, d) 混合超级电容器的电化学性能图. (e) 器件的Ragone图. (f) 器件在10 A g-1电流密度下的循环性能.

文献：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165842