以下文章来源于科学材料站 ，作者赵俊平，王亚辉等
文 章 信 息
交联式NiCo2S4纳米线桥接NiCo(HCO3)2多面体用于高性能不对称超级电容器
第一作者：赵俊平，王亚辉
通讯作者：张青程*，王舜*，雷勇*
第一单位：温州大学
研 究 背 景
为了满足现代数字通信、混合动力汽车等日益增长的需求，设计高功率和能量密度的超级电容器电极材料是非常必要的。近年来，各种过渡金属(氢氧或羟基)碳酸盐(MHCs)由于具有高比容、价态丰富、成本低，环境友好等优点，被广泛开发为超级电容器的电极材料，但是，碳酸盐的导电性差，且纳米尺寸的碳酸盐颗粒很容易凝聚成更大的团簇，导致活性材料只能部分利用。
金属硫化物(MSs)因其与相应氧化物相比具有更高的导电性和优异的氧化还原活性也收到了研究者们的广泛关注。为了解决上述问题，该工作利用三维多孔泡沫镍作为导电基底构建核壳MSs@MHCs异质结以此来解决碳酸盐倍率性和循环稳定性差的问题。
文 章 简 介
在本文中，来自温州大学的王舜教授/张青程副教授与德国伊尔梅瑙理工大学雷勇教授合作在国际权威期刊Advanced Functional Material上发表题为“Hierarchical Design of Cross-linked NiCo2S4 Nanowires Bridged NiCo-Hydrocarbonate Polyhedrons for High-Performance Asymmetric Supercapacitor”的研究论文。
该工作采用交联的NiCo2S4纳米线将NiCo(HCO3)2多面体紧密串在一起，形成了类似糖葫芦状的NiCo2S4@HCs核壳异质结构，彼此又相互连接形成了三维交联网络结构。该结构不仅具有丰富的电化学活性位，适宜的扩散通道和良好的结构稳定性，而且由于两组分之间的强界面相互作用，在整个电极中表现出更高效的电子转移和离子扩散。
NiCo2S4@HCs电极显示出超高的比电容(3178.2 F/g在1 A/g)，显著的倍率能力2179.3 F/g (30 A/g)以及突出的循环稳定性(5000循环后电容保留率为95.9%)，此外，组装的NiCo2S4@HCs//AC非对称超级电容器在功率密度为847 W/kg时，具有69.6 W h/kg的高能量密度和极佳的循环稳定性，循环10000次后，电容保留率为90.2%。
本 文 要 点
要点一：NiCo2S4@HCs异质结的结构优势
NiCo2S4纳米线与众多的NiCo(HCO3)2多面体桥接，相互交联，形成三维层次网络结构，不仅防止了NiCo(HCO3)2颗粒的团聚，还提供了更大的电极-电解质界面和离子扩散通道。此外，紧密桥接的NiCo2S4纳米线促进了电子转移，缓解了NiCo(HCO3)2多面体在快速充放电过程中的结构崩溃，从而提高了NiCo2S4@HCs电极的倍率能力和循环稳定性。
要点二：NiCo(HCO3)2的超电储能机理和物相变化
目前，NiCo(HCO3)2的储能机理尚不清楚，该工作通过对NiCo(HCO3)2的充放电过程进行了XRD与Raman的分析，结果证明了NiCo(HCO3)2先在充电过程中转化成γ-NiCoOOH和HCO3-，然后在放电过程中又会部分转变回NiCo(HCO3)2。此外，由于HCO3-在碱性电解液中不稳定会转化成CO32-，所以在循环100圈以后NiCo(HCO3)2会完全转化成(Ni,Co)2(OH)2CO3。材料的储能机理如下所示（用M2+代替Ni2+/Co2+来简化方程式）：
要点三：DFT计算揭示NiCo2S4@HCs异质结在超级电容器应用中的优势
为了阐明NiCo2S4@HCs核壳异质结构优异超级电容性能的内在机制，该工作进行了密度泛函理论(DFT)计算。结果表明，NiCo2S4@HCs在费米水平上显示出更高的TDOS，表明促进电子跨异质结构转移的电导率增强。而且，OH-吸附在NiCo2S4@HCs异质结构上的自由能也更低，表明在NiCo2S4@HCs异质结构上具有更有利的热力学吸附/解吸过程。因此，NiCo2S4@HCs异质结构的形成能够很大地提升材料的电化学性能。
要点四：NiCo2S4@HCs优异的超级电容器性能和高能量密度
NiCo2S4@HCs电极显示出超高的比电容(3178.2 F/g在1 A/g)，显著的倍率能力2179.3 F/g (30 A/g)以及突出的循环稳定性(5000循环后电容保留率为95.9%)，构建的不对称超级电容器NiCo2S4@HCs//AC器件在功率密度为847 W/kg时有69.6 W h/kg的高能量密度，10000次充放电循环后电容保持在90.2%，具有很好的商业应用价值。
总 结
该研究开发了一种简单的方法，成功构建了一种糖葫芦状的NiCo2S4@HCs核壳异质结构。这种合理的设计使NiCo2S4与NiCo(HCO3)2之间产生了强烈的界面相互作用。DFT计算和XPS分析表明，这不仅有利于电子转移和离子吸附/解吸过程，而且大大增加了电活性位点，防止了电极材料的结构退化。
实验结果表明，NiCo2S4@HCs电极在电流密度为1 A/g时具有1430.2 C/g (3178.2 F/g) 的超高比容量，在电流密度为30 A/g时具有980.7 C/g (2179.3 F/g)的优异速率能力，在5000次充放电循环后仍能保持92.8%的容量。此外，构建的非对称超级电容器的最大能量密度为69.6 W h/kg，最大功率密度为16032 W/kg，循环10000次后循环稳定性为90.2%。因此，该研究为满足储能器件高性能要求的电极设计新型类核壳异质结构提供了一种有效的策略。
文 章 链 接
“Hierarchical Design of Cross-linked NiCo2S4 Nanowires Bridged NiCo-Hydrocarbonate Polyhedrons for High-Performance Asymmetric Supercapacitor”
https://doi.org/10.1002/adfm.202210238
通 讯 作 者 简 介
王舜教授简介：博士，温州大学副校长，Carbon Energy主编，英国皇家化学会会士，国家百千万人才工程，国家有突出贡献中青年专家。长期致力于面向高效能量储存与转化的碳基和碲基三维超结构纳米材料的原创性设计、制备、多尺度结构与性能关系的基础科学研究和应用探索。以第一/通讯作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表SCI论文180多篇，H因子44。
张青程副教授简介：博士，2016年毕业于北京化工大学化学工程与技术专业，获得工学博士学位，2016年7月加入温州大学化学与材料工程学院从事教学和科研工作。主要从事化工过程强化和电化学储能方面的研究。迄今为止在Adv. Funct. Mater., Adv. Energy. Mater., Small, Ind. Eng. Chem. Res.等SCI期刊上发表论文20余篇，获得授权中国发明专利8项。
雷勇教授简介：德国伊尔梅瑙工业大学终身教授，在多元和表面纳米结构化、钠离子和钾离子电池等领域取得了瞩目的研究成果。迄今共发表了超过220篇学术文章、以及多项专利和专著。以通讯作者在影响因子大于20的期刊上发表论文19篇，影响因子10-20的期刊上发表论文73篇，如Nat. Nanotech., Nat. Commun., JACS, Angew. Chem., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Soc. Rev., Adv. Energy Mater., Mater. Today, Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett.等。
雷勇教授主持了多项欧洲和德国的大型研究项目，包括2项欧洲研究委员会的ERC研究项目、德国联邦教育及研究部（BMBF）重大研究项目、德国研究基金会（DFG）和德国大众基金会。他目前担任学术期刊Advanced Energy Materials的Editorial Advisory Board Member；Energy& Environmental Materials的Associate Editor；Carbon Energy和InfoMat的Editorial Board Member。
第 一 作 者 简 介
赵俊平，温州大学化学与材料工程学院2018级硕士研究生。现就读于北京化工大学，为化学与工程学院2021级博士研究生。
转自：“我要做科研”微信公众号
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