南京工业大学|| 碳气凝胶中锰钴异质结构的构筑及电化学性能的提升

科学 2024-09-25 10:17 江苏

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随着现代社会的发展，对储能器件的要求越来越高。超级电容器（SCs）因其较高的功率密度和长周期的稳定性脱颖而出。然而，超级电容器较低的能量密度（一般为5−20Wh/kg）限制了其实际应用，在不同的功率密度条件下获得优异的能量密度仍然是一个挑战。为了提高超级电容器的应用性能，优化和改性电极材料是至关重要的。碳气凝胶（CA）由于其三维多孔结构和大的比表面积，是一种理想的超级电容电极材料。然而，较低的理论比电容和较差的结构稳定性限制了CA的应用。此外，过渡金属锰钴化合物由于其较高的理论容量、低成本和无毒性，被认为是潜在的超级电容器电极材料。不幸的是，金属化合物的低电导率限制了电极材料的倍率性能。因此，将碳材料与过渡金属结合起来，制备混合超级电容器是提高其应用性能的有效策略。

构建具有三维多孔结构的金属异质结构是提高CA电极电化学性能的有效途径。过渡金属含有两个可变价的金属离子，可以增加电极材料的电化学活性位点和提高其电位窗口；同时，不同组分之间的协同效应可以优化电极材料的稳定性。此外，由异质结构产生的异质界面有利于离子和电荷的传输，提高了电极材料的电化学性能。然而，目前的制备方法是复杂的，并没有揭示过渡金属在性能提高中的作用。

基于此，南京工业大学崔升教授团队联合齐鲁工业大学（山东省科学院）伊希斌研究员制备了具有多种异质结构、丰富的异质界面、稳定分层多孔结构的含有锰钴异质结构的碳气凝胶（MnCo/CA）。由于分层多孔结构和丰富的MnO₂/Co/C异质结构界面，所获得的MnCo/CA纳米材料展现出优异的电化学性能。值得注意的是，受益于金属钴、氧化锰和CA之间的协同效应，MnCo/CA//MnCo/CA双电极超级电容器具有较大的电压窗口（2.5 V），在功率密度为312.5±5.0% W/kg时达到63.1±1.0% Wh/kg的能量密度。相关研究成果以“Manganese and Cobalt Heterostructures in Carbon Aerogels for the Improved Electrochemical Performance of Supercapacitors”为题发表在ACS Applied nano materials期刊上。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsanm.4c01802

研究内容

图1.MnCo/CA异质结构的合成路线示意图

图2.MnCo/CA在不同放大倍数下的SEM和TEM图形及C、O、Mn、Co的元素分布

图3.(a) XRD图，(b)氮吸附−解吸等温线(c)孔径分布

图4.MnCo/CA的C 1s (a)、O 1s (b)、Mn 2p (c)和Co 2p (d)的XPS光谱

图5.MnCo/CA三电极电化学性能
图6.MnCo/CA//MnCo/CA对称超级电容器的电化学性能

南京工业大学材料科学与工程学院王庭慰教授、崔升教授与齐鲁工业大学（山东省科学院）伊希斌研究员为本工作的通讯作者，课题组博士生刘晓婵为论文第一作者。

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