青岛科技大学王磊教授团队JPS：具有三级结构铁铋硫化物构筑单元的精准调制以提高超级电容器性能- 大数跨境

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青岛科技大学王磊教授团队JPS：具有三级结构铁铋硫化物构筑单元的精准调制以提高超级电容器性能

科学材料站

2024-02-07

导读：具有三级结构铁铋硫化物构筑单元的精准调制以提高超级电容器性能

文章信息

作者：王笑东、周凤鸣等

通讯作者：王磊、肖振宇

单位：青岛科技大学

推文作者：青岛科技大学王磊教授团队

研究背景

开发风能、太阳能、地热能、潮汐能等可持续清洁能源已被公认为是满足人类社会未来能源和环境需求的必然选择。然而，这些能源在时间和地区上的不均匀分布，导致了大规模的弃风、弃光现象，限制了它们的进一步应用。因此，开发具有高功率密度和优良循环性能的储能装置，缓解新能源发电对于电网的冲击，增加“绿电”的利用率和保证稳定供电，这对于新能源产业的推广将发挥至关重要的作用。超级电容器因其充放电速度快、安全性高、寿命长、成本低等特点而受到广泛关注。然而，超级电容器的能量密度约为锂电池的十分之一，是制约其商业化应用的主要原因。从储能机制的角度出发，超级电容器的容量由正极和负极共同决定，并遵循1/CHSC = 1/Cpositive + 1/Cnegative的串联公式(CHSC、Cpositive和Cnegative分别表示总电容、正电容和负电容)。正如著名的“木桶效应”一样，超级电容器器件的容量取决于电容较低的电极。近年来，正极性超级电容器材料得到了很好的发展，大多数报道的Co/Ni基纳米材料都可以实现1200 F g^-1以上的比电容。而负极材料，如最常用的碳基材料一般低于300 F g^-1。因此，开发高性能的超级电容器负极材料不仅是该领域的迫切需求，而且是该领域面临的重大挑战。

文章简介

近日，来自青岛科技大学的王磊教授团队，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“The precise building units modulation of iron-bismuth sulfide triple-level hierarchical structure for enhanced supercapacitor performance”的观点文章。该文章采用自上而下的合成策略构建了一系列具有可调基本单元（0D纳米颗粒、1D纳米棒和2D纳米片）的三级纳米花结构。首先，采用水热法制备了不同Fe:Bi比例（Fe/Bi-MOFs-X， X= 0%、20%、40%、60%、80%、100%）的花状Fe/Bi-MOFs前驱体。然后，在进一步的硫化过程中，花瓣被转换到由自支撑纳米颗粒/纳米棒/纳米片组装的层次化纳米片，从而形成最终的三级结构。由于Fe和Bi离子的竞争配位，可以调节Bi₂S₃不同晶面的生长速度，随着Fe含量的增加，基本单元的尺寸从2D变为0D。优化后的一维纳米棒基本单元组装的FeBiS-50%具有丰富的可达活性区域和纳米棒之间丰富的孔隙通道，促进了活性物质的利用，有利于氧化还原反应的传质过程。因此，当电流密度为1 A g^-1时，可获得610 F g^-1的高比容量，当电流增加10倍时，电容保持率为55.7%。此外，以Ni₃S₂@Co₃S₄ (NCS)为正极，FeBiS-50%为负极制备的NCS//FeBiS-50%混合超级电容器，在0.80 kW kg^-1的功率密度下，其能量密度达到64 Wh kg^-1。

图文分析

图1：一系列三层花状结构的合成过程，以及基本结构单元在Fe:Bi比例调节下从0D到2D的尺寸演化过程。

图2：FeBi-MOF-50% (a), FeBiS-50% (b and c)的扫描电镜图像；FeBiS-50%的（d）透射电镜、（e 和 f）高分辨图像和（g）TEM-Mapping 图像。

图3：(a) FeBiS-10%, (b) FeBiS-20%, (c) FeBiS-40%, (d) FeBiS-60%, (e) FeBiS-80%, and (f) FeBiS-100%的扫描电镜图像。

图4：(a) FeBiS-0%、FeBiS-50%、FeBiS-100%以及Fe₃S₄和Bi₂S₃的标准卡的XRD谱图;(b) FeBiS-50%和FeBiS-100%的S 2p轨道和Bi 4f轨道的高分辨XPS谱图；(c) FeBiS-50%和FeBiS-0%的Fe 2p轨道的高分辨XPS光谱；(d) FeBiS-10%、FeBiS-50%、FeBiS-100%样品不同晶面的归一化XRD峰面积比(内标:(130)衍射面);(e) Fe:Bi比值控制不同Bi₂S₃基构单元的演化过程。

图5：(a) 20 mV s^-1下FeBiS-0%、FeBiS-50%和FeBiS-100%的CV曲线；(b) 2 A g^-1作用下FeBiS-0%、FeBiS-50%和FeBiS-100%的GCD曲线；(c)不同电流密度下FeBiS-0%、FeBiS-50%和FeBiS-100%的比容量曲线；(d)对应FeBiS-50%的对数(i) vs对数(v)拟合线；(e)不同扫描速率下FeBiS-50%表面电容过程对扩散控制过程的贡献率；(f) FeBiS-0%、FeBiS-50%和FeBiS-100%的阻抗谱。

图6：(a)扫描速率为30 mV s^-1时FeBiS-50%和NCS电极的CV曲线。(b)不同扫描速率下NCS//FeBiS-50% HSC装置的CV曲线。(c)不同电流密度下HSC器件的GCD曲线。(d)不同电流密度下HSC的比电容和库仑效率。(e) HSC的Ragone图。(f) HSC在10 A g^-1时的循环稳定性和库仑效率。(g)不同弯曲度(0度、90度、180度)的HSC装置为风扇供电的照片。

文章链接

The precise building units modulation of iron-bismuth sulfide triple-level hierarchical structure for enhanced supercapacitor performance.

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234128

通讯作者简介

王磊，教授，山东省杰青，博士生导师，2006年于吉林大学获无机化学博士学位。长期从事无机微纳米材料的可控合成及其在绿色能源等相关领域的应用，已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., ACS Nano, Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., Science China Chem., 中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文四百余篇, 其中通讯作者影响因子大于10.0的论文180余篇。作为第一完成人获中国石油和化学工业联合会科技进步奖、中国可再生能源学会科学技术人物奖等奖励。