北理工：蒲公英状Sm2O3/Co3O4/rGO在高性能超级电容器中的应用

成果简介

基于二维材料的新型超级电容器因其独特的物理、化学和电化学特性而成为能源应用的理想候选材料。本文，北京理工大学卢士香 副教授团队在《RSC Adv》期刊发表名为“Application of dandelion-like Sm2O3/Co3O4/rGO in high performance supercapacitors”的论文，研究在泡沫镍（NF）上采用水热法合成了一种由 Sm2O3、Co3O4 和二维还原氧化石墨烯（rGO）组成的蒲公英状结构材料，随后进行了退火处理。这种蒲公英复合材料通过Sm2O3和Co3O4的透闪石状结构进一步生长，从而促进了离子的扩散，并防止了充电和放电过程中的结构坍塌。

Sm2O3/Co3O4/rGO/NF复合材料（SCGN）独特的表面形态在氧化还原反应中产生了大量的活性位点。在6mol L-1 KOH 溶液中，SCGN 材料1Ag-1 的最大比容量为3448Fg-1。得益于其形态结构，所制备的复合材料（SCGN）在10Ag-1 的条件下，经过3000次充放电循环后，显示出93.2%的高循环能力和 97.4% 的库仑效率。此外，组装后的 SCGN//SCGN对称超级电容器可提供 64 W h kg-1 的高能量密度，功率密度为 300W kg-1，在 28.7W h kg-1 时，功率密度可增至 12 000W kg-1，并且具有长周期稳定性（30 000 次循环后电容保持率为 80.9%）。这些结果表明，制造出的 SCGN 电极可作为电化学超级电容器的活性电极材料。

图文导读

图1 、SCGN复合电极的制备工艺。

图2、(a) CGN、SGN 和 SCGN 的 XRD 图；(b) GO、SCN 和 SCGN 的拉曼光谱。

图3、 (a) SCGN 复合材料的 XPS 光谱；(b) Sm 3d、(c) O 1s、(d) Co 2p、(e) C 1s 的高分辨率 XPS 光谱。

图4 、SCGN 和 SCN 在不同扫描速率下的 CV 曲线 6 不同扫描速率下 (a) SCGN 和 (b) SCN 电极的 CV 曲线；(c) SCGN、SCN、rGO/NF、CGN、SGN 的比较 CV 曲线；(d) SCGN 和 (e) SCN 电极在不同电流密度下的 GCD 曲线；(f) SCGN 和 SCN 电极在 1 A g-1 时的 GCD 曲线对比；(g) SCGN 和 SCN 电极在不同电流密度下的比电容；(h) SCGN 和 SCN 电极的奈奎斯特图；(i) 奈奎斯特图的高频区域。上述所有电化学测量均在 6 mol L-1 KOH 溶液中进行。

图5.用不同比例的钴源化合物和钐源化合物制备的复合电极材料的形态学图像

图6. (a) SCGN//SCGN 对称超级电容器器件的三维原理图；(b) 对称超级电容器在不同扫描速率下的 CV 曲线；(c) 超级电容器在不同电流密度下的 GCD 曲线；(d) 器件在不同电流密度下的比电容；(e) 超级电容器在不同温度下的 GCD 曲线；(f) 超级电容器在不同温度下的比电容和库仑效率。

图7. 使用 SCGN 组装的设备的拉贡曲线图与最近文献报道的数值对比。

小结

采用一步水热法在泡沫镍基底上成功合成了一种具有蒲公英状结构的复合电极（SCGN），该电极由 Sm2O3、Co3O4 和二维还原氧化石墨烯组成。结果表明，Sm2O3 的加入大大提高了电极的稳定性，Sm2O3 和 Co3O4 的双氧化物可有效防止结构在充放电过程中坍塌。而 rGO 可作为电子传递通道，为蒲公英状花球结构提供良好的电接触，从而提供高电容。通过利用 Sm2O3、Co3O4 和还原氧化石墨烯的协同效应，无粘结剂超级电容器在电流密度为 1 A g-1 时实现了 3448 F g-1 的超高比电容。

值得注意的是，SCGN 电极材料的工作温度范围很广（0-60 °C）。在高达 60 °C 的温度下，比电容为 368.3 F g-1，即使在低于 0 °C 的温度下，比电容仍能保持在 216.29 F g-1。独特的三维蒲公英状结构促进了离子扩散，防止了充放电过程中结构的解体。此外，SCGN//SCGN 器件还显示出巨大的实际应用潜力：在 0.5 A g-1 的条件下，比电容为 319.75 F g-1；在功率密度为 300 W kg-1 的条件下，能量密度高达 63.95 W h kg-1；在连续充放电循环 30 000 次后，能量密度仍保持在 80.9% 以上。这项工作为利用稀土金属提高过渡金属的稳定性铺平了道路，并有可能成为储能超级电容器的电极材料。

文献：

• https://doi.org/10.1039/D3RA06352F