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Adv. Mater.|连续离子交换制备高性能洋葱状NiCo2S4

电池型法拉第电极作为能量源和电容型双电层电极作为功率源的混合超级电容器(HSCs),近年来引起了人们的广泛关注。其具有高的功率密度、快速的充放电、优异的循环稳定性等。电池型电极被认为是获取高性能HSCs的主要组件。混合过渡金属硫化物具有丰富的氧化位点、高的容量、并且与相应的氧化物对比具有好的电子导电性,被认为是潜在的电极材料。其次,材料结构的精致设计和合成在一定程度上会影响材料的性能。

近期,南洋理工大学楼雄文课题组,以洋葱状的Co3O4作为前驱体,利用连续离子交换的方法成功合成洋葱状的NiCo2S4。作者先用S2-作为交换离子,利用离子交换反应成功合成洋葱状Co4S3,然后再用Ni2+作为交换离子,最终成功合成洋葱状的NiCo2S4。该研究成果发表在材料类顶级期刊Advanced Materials(IF:18.96, 2016)

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图1. (a-c)Co4S3形貌表征,(d-f)NiCo2S4形貌表征

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图2.NiCo2S4的电化学性能

当该洋葱状NiCo2S4作为超级电容器电极材料时,表现出高的容量和优异的循环稳定性。其在2、5、10、20A/g电流密度下,分别表现出1016、970、880、802F/g高的电容量。当电流从2A/g升到20A/g,其容量保持率为79%,该优异的电化学性能归因于其复杂的结构和构成。作者也研究了其循环性能,10A/g的电流密度下循环10000次后,其容量保持率为87%,并且循环后的材料依旧保持其多层结构

随后,作者用活性炭作为负极,组装成混合超级电容器,研究其实际的应用价值。在2A/g的电流密度下可以获得120F/g的比电容,而当电流密度增大10倍,容量保持率为69%。循环性能,在10A/g的电流密度下循环10000次后,仅有8%的容量损失,表现出了优异的循环性能。并且在功率密度1583W/Kg时可获得42.7Wh/Kg的高能量密度

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图3.NiCo2S4//AC HSCs的电化学性能

最后,作者也对其优异的电化学性能做了解释。该优异的电化学性能主要归因于材料复杂的结构和组成,复杂的多层结构可以提高材料的能量密度、且具有高的比表面积;Ni2+掺入可以提高材料的导电性能并构建新的活性位点;最后,7层洋葱状结构是较稳定的结构,从而有利于提高材料电化学稳定性

多组分材料由于离子之间具有协同效应,成为研究者研究的方向,通常合成思路是利用一锅法制备,离子交换方法给材料的合成提供了新的借鉴思路。

 材料制备:

洋葱状Co3O4合成:0.1mmolCo(NO3)2·6H2O和0.1mmol间苯二甲酸(H2IPA)溶解在5mLDMF和5mL丙酮溶液,搅拌6h形成澄清溶液,然后再160℃水热反应4h,最后在500℃空气中煅烧10min,升温速率为5℃/min,得到洋葱状Co3O4颗粒。

洋葱状Co4S3合成:洋葱状Co3O4颗粒分散在10mL0.3M的Na2S溶液,在90℃水热反应24h,洗涤干燥。

洋葱状NiCo2S4合成:洋葱状Co4S3颗粒分散在10mL3.3mM的Ni(NO3)2溶液,在160℃水热反应4h,洗涤干燥。

BuYuan Guan, Le Yu, Xiao Wang, Shuyan Song, XiongWen (David) Lou, Formation of Onion-Like NiCo2S4 Particles via Sequential Ion-Exchange for Hybrid Supercapacitors, Adv. Mater., 2016, DOI:10.1002/adma.201605051 

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参考文献:

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