Adv. Mater. 超级电容器中利用连续离子交换法挑战特定纳米颗粒合成难题

【引言】

可持续能源发展中，电能的存储是关键。混合型超级电容器是近些年研究的热点，它包括储能型和动力性。过渡族金属硫化物比较有前景的储能型超级电容器电极材料，对电极材料进行微妙的结构设计可以获得性能更加优异的超级电容器。中空纳米颗粒和复杂结构的中空纳米颗粒因其独特性质备受关注，然而合成方法的优化一直都是个难题，南洋理工大学楼雄文教授的课题组对此研究深入，本次导读将对楼教授近日发表的关于洋葱状NiCo₂S₄纳米颗粒合成方法的文章进行解读。

【成果简介】

近日，来自新加坡南洋理工大学化学与生物工程学院的楼雄文教授 和中国科学院长春应用化学所究所宋术岩研究员(共同通讯作者)展示了连续离子交换法制备一种与众不同结构的纳米颗粒——洋葱状中空结构外壳型的过渡族金属硫化物，所使用的前驱体也是洋葱状金属氧化物颗粒。该实验中使用的连续离子交换反应可以同时实现结构和组成的控制。先通过Co₃O₄和S²⁻的离子交换反应，使洋葱状的Co₃O₄颗粒转变成Co₄S₃颗粒，再通过与Ni²⁺阳离子连续的离子交换反应形成NiCo₂S₄颗粒。当复杂的洋葱状NiCo₂S₄纳米颗粒作为作为电极材料时，在电容量和循环稳定性上都做出了出色的贡献，与阴极活性碳材料搭配组合成超级电容器时，器件的功率容量、能量密度和循环稳定性都表现良好。

 【图文导读】

图1.洋葱状复合金属硫化物中空纳米颗粒合成步骤原理图

1,洋葱状Co₃O₄颗粒通过阴离子交换法转化成洋葱状Co₄S₃颗粒的过程

2,洋葱状Co₄S₃颗粒通过阳离子交换法形成洋葱状NiCo₂S₄颗粒的过程

图2. 洋葱状Co₃O₄颗粒的表征图

图a是FESEM照片           图b-d是TEM照片

图3. 洋葱状Co₄S₃和NiCo₂S₄颗粒的表征图

图4. 洋葱状NiCo₂S₄颗粒在三电极体系中电化学性能测试

a,不同扫描速率下洋葱状 NiCo₂S₄颗粒的CV曲线

b,不同电流密度下的恒流充放电曲线

c,10  A g⁻¹电流密度下的循环性能测试图

图5.活性碳材料做阴极，洋葱状 NiCo₂S₄颗粒做阳极组成超级电容器时电化学性能测试

a, NiCo₂S₄//AC超级电容器在不同扫描速率下的CV曲线

b, NiCo₂S₄//AC超级电容器在不同电流密度下的恒流充放电曲线

c, NiCo₂S₄//AC超级电容器在10A g⁻¹电流密度下的循环性能测试图

【小结】

特定结构的纳米粒子的合成方法一直是个挑战性课题，楼雄文教授课题组通过连续离子交换法，合成了洋葱状NiCo₂S₄中空纳米颗粒，得益于独特的外壳和稳定的阵列结构，该超级电容器在循环稳定性、能量密度等方面均表现出优越的电化学性能。

文献链接：Formation of Onion-Like NiCo2S4 Particles via Sequential Ion-Exchange for Hybrid Supercapacitors（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201605051）

本文由材料人编辑部   新能源学术小组 YueZhou 整理编译。

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