Adv. Mater. 超級電容器中利用連續離子交換法挑戰特定納米顆粒合成難題

【引言】

可持續能源發展中，電能的存儲是關鍵。混合型超級電容器是近些年研究的熱點，它包括儲能型和動力性。過渡族金屬硫化物比較有前景的儲能型超級電容器電極材料，對電極材料進行微妙的結構設計可以獲得性能更加優異的超級電容器。中空納米顆粒和復雜結構的中空納米顆粒因其獨特性質備受關注，然而合成方法的優化一直都是個難題，南洋理工大學樓雄文教授的課題組對此研究深入，本次導讀將對樓教授近日發表的關于洋蔥狀NiCo₂S₄納米顆粒合成方法的文章進行解讀。

【成果簡介】

近日，來自新加坡南洋理工大學化學與生物工程學院的樓雄文教授 和中國科學院長春應用化學所究所宋術巖研究員(共同通訊作者)展示了連續離子交換法制備一種與眾不同結構的納米顆粒——洋蔥狀中空結構外殼型的過渡族金屬硫化物，所使用的前驅體也是洋蔥狀金屬氧化物顆粒。該實驗中使用的連續離子交換反應可以同時實現結構和組成的控制。先通過Co₃O₄和S^2?的離子交換反應，使洋蔥狀的Co₃O₄顆粒轉變成Co₄S₃顆粒，再通過與Ni²⁺陽離子連續的離子交換反應形成NiCo₂S₄顆粒。當復雜的洋蔥狀NiCo₂S₄納米顆粒作為作為電極材料時，在電容量和循環穩定性上都做出了出色的貢獻，與陰極活性碳材料搭配組合成超級電容器時，器件的功率容量、能量密度和循環穩定性都表現良好。

?【圖文導讀】

圖1.洋蔥狀復合金屬硫化物中空納米顆粒合成步驟原理圖

1,洋蔥狀Co₃O₄顆粒通過陰離子交換法轉化成洋蔥狀Co₄S₃顆粒的過程

2,洋蔥狀Co₄S₃顆粒通過陽離子交換法形成洋蔥狀NiCo₂S₄顆粒的過程

圖2. 洋蔥狀Co₃O₄顆粒的表征圖

圖a是FESEM照片?????????? 圖b-d是TEM照片

圖3. 洋蔥狀Co₄S₃和NiCo₂S₄顆粒的表征圖

圖4. 洋蔥狀NiCo₂S₄顆粒在三電極體系中電化學性能測試

a,不同掃描速率下洋蔥狀?NiCo₂S₄顆粒的CV曲線

b,不同電流密度下的恒流充放電曲線

c,10 ?A g^?1電流密度下的循環性能測試圖

圖5.活性碳材料做陰極，洋蔥狀?NiCo₂S₄顆粒做陽極組成超級電容器時電化學性能測試

a, NiCo₂S₄//AC超級電容器在不同掃描速率下的CV曲線

b, NiCo₂S₄//AC超級電容器在不同電流密度下的恒流充放電曲線

c, NiCo₂S₄//AC超級電容器在10A?g^?1電流密度下的循環性能測試圖

【小結】

特定結構的納米粒子的合成方法一直是個挑戰性課題，樓雄文教授課題組通過連續離子交換法，合成了洋蔥狀NiCo₂S₄中空納米顆粒，得益于獨特的外殼和穩定的陣列結構，該超級電容器在循環穩定性、能量密度等方面均表現出優越的電化學性能。

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

本文由材料人編輯部 ? 新能源學術小組?YueZhou?整理編譯。

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