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高电导率Nio.85Co0.15WO4纳米片材料用于超级电容器

 【引言】

根据能量存储机理,超级电容器可分为双电层电容器(EDLCs)和赝电容电容器(PCs)是。由于电极和电解质之间快速、可逆的法拉第氧化还原反应,使得PCs比EDLCs能存储更多的能量。目前,作为PCs电极材料被重点研究的主要有含一个金属阳离子的二元过渡金属氧化物/氢氧化物(如NiO、Co3O4、Ni(OH)2和Co(OH)2)和由两个阳离子形成的三元过渡金属氧化物(如钴酸盐和钼酸盐)。二元金属氧化物由于较低的电导率、快速衰减的电容和较差的稳定性限制了其实际应用,而三元金属氧化物有较高的电导率,且两个不同阳离子存在多个氧化态,使其作为超级电容器的电极表现出比二元金属氧化更优秀的电容性能。在三元金属氧化物中,低成本、环保、易制备和具有多功能性特点的黑钨矿钨酸盐作为新型的电极材料被研究,已有报道的NiWO4电极材料具有较高的比电容,CoWO4有较好的倍率性能,而NiWO4/CoWO4复合物则能发挥二者的协同作用。然而,Co掺杂NiWO4作为超级电容器电极材料很少被报道。最近,西安电子科技大学的黄云霞副教授课题组联合美国华盛顿大学的曹国忠教授课题组,在国际知名期刊Nano Energy上(影响因子:12.343)发表了题为“Ni0.85Co0.15WO4Nanosheet Electrodes for Supercapacitors with Excellent Electrical Conductivityand Capacitive Performance”的文章。

【成果简介】

通过简单的化学共沉淀法成功合成了单斜晶系黑钨矿Ni1-xCoxWO4 (x=0和0.15) 纳米片材料,当Co2+离子结合进NiWO4晶格中,Ni0.85Co0.15WO4材料的比表面积明显增加(NiWO4为19.0 m2 g-1,Ni0.85Co0.15WO4为32.4 m2 g-1),并且随着带隙由NiWO4的3.03 eV减小到2.76 eV,Ni0.85Co0.15WO4的电导率比NiWO4增加了三倍,当其用于超级电容器的电极时,表现出良好的润湿性和优异的比电容和倍率性能。研究表明,在电流密度为0.1,0.2和0.5 A g-1时,Ni0.85Co0.15WO4电极的比电容分别为360,340和280 F g-1,NiWO4电极的比电容则分别为339,216和44.6 F g-1。当电流密度从0.1 A g-1增加到0.5 A g-1时,Ni0.85Co0.15WO4电极的比电容是0.1 A g-1时的78%,NiWO4电极仅仅剩余13%;当电流密度增大到2.0 Ag-1时,Ni0.85Co0.15WO4电极的比电容仍剩余30%,而NiWO4电极则衰减为0。

【图文导读】

 

高电导率Nio.85Co0.15WO4纳米片材料用于超级电容器图1.NiWO4和Ni0.85Co0.15WO4样品的FESEM(a and b), TEM (c and d), HRTEM (e and f,插入图是相应的FFT衍射图像) 和IFFT (g and h)。

高电导率Nio.85Co0.15WO4纳米片材料用于超级电容器

图2. (a)NiWO4Ni0.85Co0.15WO4电极在5 mV s-1扫描速率下的CV曲线,(b)NiWO4和(c)Ni0.85Co0.15WO4电极在不同扫描速率下的CV曲线,(d)NiWO4Ni0.85Co0.15WO4电极的氧化还原峰电流随扫描速率的平方根变化的曲线,(e)OH-嵌入NiWO4Ni0.85Co0.15WO4电极的示意图。

高电导率Nio.85Co0.15WO4纳米片材料用于超级电容器

图3.(a)NiWO4Ni0.85Co0.15WO4电极在电流密度为0.1 A g-1时的GC曲线,(b)NiWO4和(c)Ni0.85Co0.15WO4电极在不同电流密度下的GC曲线。

高电导率Nio.85Co0.15WO4纳米片材料用于超级电容器

图4.(a) NiWO4Ni0.85Co0.15WO4电极的EIS,(b)低频区NiWO4Ni0.85Co0.15WO4电极的Zre和w-1/2的关系曲线。

Ni0.85Co0.15WO4纳米片电极表现出良好电导率、润湿性和电化学性能的原因:(1)Ni0.85Co0.15WO4有较小的带隙,容易捕获波长低于450 nm的光子并激发电子到导带,增加电导率;(2) 高电导性能增加介质的极性,有助于极性电解质渗透进电极改善其润湿性,同时Ni0.85Co0.15WO4具有较大的介孔体积和较小的介孔孔径,能够增强毛细作用吸引电解液,也是改进其润湿性的因素之一;(3)大的电导率能够为电子的运动提供有效的途径去加速电荷转移并降低电解质离子扩散到电极中的电阻,良好的润湿性能促进电解质离子渗透进电极中;(4) 高电导率和电解质离子嵌入/脱出的良好可逆性,在Ni0.85Co0.15WO4电极与电解质界面能够充分进行快速的Faradaic反应,有助于提高赝电容和倍率性能。

制备过程

采用化学共沉淀法制备NiWO4Ni0.85Co0.15WO4粉体。首先配置0.1mol L-1的Ni(CH3COO)2溶液,根据Co掺杂量分别为0和15%,在溶液中加入一定量的Co(CH3COO)2·4H2O,混合物在60℃水浴中搅拌至形成透明的溶液,再将等体积的0.1 mol L-1的Na2WO4溶液在搅拌下倒入上述溶液中。混合溶液在60 水浴中持续搅拌3 h,所得沉淀物被离心分离,并用去离子充分水洗涤后,经冷冻干燥得到NiWO4Ni0.85Co0.15WO4粉体。

参考文献:

Yun-Xia Huang, Chen Yan, Xing Shi, Wen Zhi, Zhi-Min Li, Yang-Xi Yan, Mao-Lin Zhang, Guo-Zhong Cao, Ni0.85Co0.15WO4 nanosheet electrodes for supercapacitors with excellent electrical conductivity and capacitive performance, Nano Energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.03.082.

 

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参考文献:

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