曲阜师范大学CEJ：用于2.8 V对称水系超级电容器的自支撑VO(PO3)2电极- 大数跨境

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曲阜师范大学CEJ：用于2.8 V对称水系超级电容器的自支撑VO(PO3)2电极

科学材料站

2022-05-08

导读：本篇文章展示了第一个单斜晶系的α-VO(PO3)2气凝胶，其空间群组为C2/c，是通过可控相变工程将V6O12⋅5H2O气凝胶转变为正交的α-V2O5气凝胶

文章信息

用于2.8 V对称水系超级电容器的自支撑VO(PO₃)₂电极

第一作者：刘玉静

通讯作者：应安国*

单位：曲阜师范大学化学与化工学院

研究背景

超级电容器因其高功率密度、超快倍率能力和长期稳定性而被公认为有希望的下一代储能设备。目前，超级电容器的巨大技术挑战是在不降低其功率密度和循环寿命的前提下提高能量密度。为此，在E=1/2CV²的基础上，实现更高的比电容或获得更宽的工作电压窗口被证明是有效的。

伴随着通过结构工程获得超高比电容的电极材料电容性能进一步提升的瓶颈，人们将大量的研究工作集中在拓宽工作电压窗口上。本文提出的Na+插层多相反应需要较大的插层能(-10.29 eV)来形成和迁移相界面，从而扩大了整个电压窗口。这为未来的研究提供了方向，有助于拓宽水系超级电容器领域电化学稳定窗口的研究及实际应用。

文章简介

基于此，曲阜师范大学应安国教授和刘玉静讲师，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Self-supported VO(PO₃)₂ electrode for 2.8 V symmetric aqueous supercapacitors”的文章。本篇文章展示了第一个单斜晶系的α-VO(PO₃)₂气凝胶，其空间群组为C2/c，是通过可控相变工程将V₆O₁₂⋅5H₂O气凝胶转变为正交的α-V₂O₅气凝胶，然后磷化成VO(PO₃)₂气凝胶。在对称水系超级电容器中可以获得2.8 V的超高电压窗口。实验和理论证明，与单相反应相比，Na⁺插层多相反应通常需要较大的插层能(-10.29 eV)来形成和迁移相界面，从而扩大了整个电压窗口。

图1. VO(PO₃)₂的制造工艺的示意图

图2. VO(PO₃)₂电极拓宽电压窗口的吉布斯自由能差示意图

本文要点

要点一：自支撑VO(PO₃)₂电极首次用于超级电容器

以往的文献报道，磷酸钒电极比单一氧化物电极具有更高的电化学活性。目前，VO(PO₃)₂主要集中在催化领域，但其在超级电容器中的应用及其电荷储存机理并未从理论上预测，也没有实验证明。

本文通过钒离子与柠檬酸(CA)的络合反应，在水热条件下进行脱水反应，制备了V₆O₁₂⋅5H₂O纳米线的前驱体，实现了纳米线的堆积气凝胶结构。碳化、磷化后，通过控制气体气氛使得中间产物V₂O₅发生相变反应，原位生成了独特的VO(PO₃)₂纳米线。在VO(PO₃)₂气凝胶的形成过程中，CA不仅有利于还原反应，还提供了纳米碳。采用高温压缩成型法制备了未添加任何粘结剂的自支撑VO(PO₃)₂工作电极，大幅改善了电极表面和内部的电子传导性能，可进一步降低器件的整体重量。所报道的自磷化策略为金属氧化物转化为具有可控晶格结构的VPO提供了一种新的有前途的方法，从而实现了多种材料的制备。

要点二：首次报道了2.8 V的水系超级电容器

通过原位XRD表征，在Na₂SO₄电解液中，VO(PO₃)₂电极发生了相变电化学活化。相变活化过程是Na⁺插层/脱层过程的具体反映。从VO(PO₃)₂到NaV_0.34P_0.66O₃结果表明，阳离子插层过程经历了一个多相反应。NaV_0.34P_0.66O₃中存在磷空位，当样品暴露在空气中时，Na⁺的加入消除了这些磷空位，促进了单斜晶系VO(PO₃)₂向正交晶系NaV_0.34P_0.66O₃的转变。因此，这是一种磷空位诱导的可逆钠离子插层机制。同时，密度泛函(DFT)结果显示，插层能(−10.29 eV)的增加，这是典型的能量需求过程。因此，通过与析氧和析氢过程竞争限制了OER和HER的活性。

文章链接

Self-supported VO(PO₃)₂ electrode for 2.8 V symmetric aqueous supercapacitors

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136726

通讯作者简介

应安国教授

2010毕业于浙江大学应用化学专业获得工学博士学位，2018年加入曲阜师范大学，现为曲阜师范大学化工学科带头人，课题组组长，博士生导师。浙江省高校中青年学科带头人，浙江省低碳脂肪胺工程技术中心技术顾问，国家自然科学基金项目通讯评审专家。研究方向主要为非均相催化剂的设计、开发以及在催化制备医药化工产品、煤炭高附加值利用方面的应用。承担3项国家自然科学基金项目（2个面上和1个青年），主持完成省自然科学基金和国家博士后基金项目。以第一或通讯作者发表SCI论文40篇以上，申请或授权国家发明专利20项以上。

第一作者介绍

刘玉静博士，毕业于中国海洋大学，获得理学博士学位。2019年加入曲阜师范大学，任硕士生导师。研究方向水膜处理，纳米材料，新能源材料。

课题组介绍

应安国教授课题有专任教师3人（应安国、刘中秋、刘玉静），其中教授、博士生导师1人，讲师、硕士生导师2人。课题组承担了国家自然科学基金国家科研项目4项，其中面上项目2项；省自然科学基金2项；发表SCI论文60余篇，申请专利30余项。在读硕士研究生10名，基本上每位同学(研二研三)都有发表过SCI 1区一作论文。

主要研究方向（1）介孔聚合离子液体的设计、开发与应用；（2）聚合物乳液和胶束催化剂的设计、制备及其在催化反应中的应用；（3）非均相催化剂的设计、开发及应用；（4）煤炭的催化加氢转化；生物质的高附加值利用；CO₂电催化还原；（5）新能源材料超级电容器正极材料和负极材料的设计、制备及其性能价；柔性超级电容器的研制；（6）燃料电池催化剂的制备等。

课题组招聘

课题组拟招化学学硕、材料与化工专硕生5-6位左右！欢迎报考

感兴趣的同学可以参考课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/Ying_Anguo