汪德伟副教授、董留兵教授，在CEJ上发表：“水合氧化钌量子点锚定在碳纳米笼上用于锌离子混合电容器”

第一作者：韩新亮

通信作者：汪德伟，董留兵

单位：北方民族大学，暨南大学

RuO₂·xH₂O相比于多孔碳、少层材料（如磷烯和硅氧烷）和有机物等正极材料具有电阻低，理论比容量大，在酸性和碱性电解质中都具有良好的结构稳定性，是锌离子混合电容器最理想的正极材料之一。然而，高表面能的小尺寸量子点容易发生自聚集，导致电化学性能下降会阻碍其实际应用。并且在含锌离子的弱酸性电解液中，电荷储存机理尚未完全明确，特别是氢离子对电荷储存性能的影响尚未得到充分研究。本文的观点是构建RuO₂ QDs@PCNCs异质结构材料，以打破EDLC低电容和小尺寸RuO₂·xH₂O聚集的限制，同时利用不同电解质和非原位测试探究Zn²⁺和H⁺对提高RuO₂ QDs@PCNCs-based正极的电荷存储能力至关重要。

近日，来自北方民族大学的汪德伟教授与暨南大学的董留兵教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Hydrous ruthenium oxide quantum dots anchored on carbon nanocages for Zn-ion hybrid capacitors”的文章。该文章分析了目前常用于锌离子混合电容器的不同电极材料在实际运用中存在的一些电化学性能问题，并给出了相应的解决观点，同时对在含锌离子的弱酸性电解液中电荷储存机理进行探究。

RuO₂·xH₂O具有含晶体水结构，电阻低，理论比容量大，在酸性和碱性电解质中都具有良好的结构稳定性，然而钌金属价格较高限制了它的广泛应用。多孔碳纳米笼（PCNCs），具有中空的内部和多孔的外壳，它们独特的结构可以缩短从内部扩散到表面的路径，同时保持丰富的活性位点用于电荷存储。然而，由于双电层电容（EDLC）主导的电荷存储，其电容性能仍不理想。因此我们提出一种RuO₂ QDs@PCNCs正极，以打破碳材料低电容和RuO₂·xH₂O利用率低的限制，同时这种异质结构结合了PCNCs和RuO₂量子点的优点极大的提高了钌金属的利用率和电化学性能。

量子点（QDs）由于其超小尺寸（<10 nm）、微小的离子转移距离、丰富的活性位点和高电化学活性，在电化学储能领域吸引了大量的研究活动。然而，高表面能的小尺寸量子点容易发生自聚集，导致电化学性能下降，因此我们提出水合二氧化钌量子点锚定在碳纳米笼上以改善量子点的团聚问题。多孔碳纳米笼对金属离子具有较高的吸附能力，因此Ru³⁺可以吸附在PCNCs的纳米孔内。最后与OH^-和O₂反应生成RuO₂ QDs@PCNCs。由于PCNCs中丰富的纳米孔与Ru³⁺有很强的相互作用，会阻碍纳米颗粒聚集，因此可以得到小粒径的RuO₂。

在含锌离子的弱酸性电解液中，电荷储存机理尚未完全明确，特别是氢离子对电荷储存性能的影响尚未得到充分研究。因此我们使用pH值为3.8的稀H₂SO₄溶液、只含Zn²⁺的乙腈/Zn(CF₃SO₃)₂电解液和同时含有H⁺和Zn²⁺的 2 M ZnSO₄的电解液分别进行进行GCD测试。测得结果在0.2A g^-1电流密度下只含H⁺的电解质比容量为58.7 mAh g^-1，只含Zn²⁺的为107.8 mAh g^-1，同时含有H⁺和Zn²⁺时其容量为224 mAh g^-1。并且进行非原位XPS测量Zn2p的高分辨率光谱证实了Zn²⁺在RuO₂ QDs@PCNCs正极中的储存。

目前对用于锌离子混合电容器电极材料的开发和研究仍然有限，对于如何提高锌离子混合电容器的容量、循环寿命和深入探究储能原理也是未来的一个研究方向。由于非原位的表征无法测得Zn²⁺的嵌入是发生在电极材料表面还是内部，因此对于RuO₂ QDs@PCNCs用于锌离子混合电容器的储能机理需要更多的原位表征手段。石英体微天平可以测试电极材料在充放电过程中的重量变化，从而推断出Zn²⁺和H⁺的嵌入/脱出，因此石英体微天平在本研究方向有广阔的应用前景。对于提高锌离子混合电容器的电化学性能，需要开发新的电极材料和对锌金属进行表面处理，一些其他因素对锌离子混合电容器的影响也有待研究。了解锌离子混合电容器在酸性电解质中的应用，可以实现具有高循环寿命和高能量密度锌离子混合电容器，以加速其在商业市场中的应用。

Hydrous ruthenium oxide quantum dots anchored on carbon nanocages for Zn-ion hybrid capacitors

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