安庆大教授、佟瑶副教授、王开副研究员，JMCA观点：用于高性能超级电容器的Ni4-xCoxWO4/木质素基三维分级多孔炭复合材料

第一作者：师菲艳

通讯作者：安庆大*，佟瑶*，王开*

单位：大连工业大学，中国科学院大连化学物理研究所

随着化石能源不断消耗以及环境污染问题不断出现，绿色可再生能源领域变得至关重要并取得了快速发展。实现可再生能源有效利用的重要途径之一就是将其转化为传统电能，因此迫切需要一种高效的能量转化和储存装置。超级电容器作为一种新型的电化学储能器件，因其充放电速度快和循环寿命长等优势受到越来越多研究者的关注。超级电容器的性能取决于电极材料、电解质等在其电压范围内的电化学性能。

目前相关研究主要集中在开发性能优异的新型电极材料上。碳材料作为双电层电容器的电极材料，具有循环性能稳定、导电性良好等优势，但其电容较低；过渡金属化合物/导电聚合物主要作为赝电容电极材料，其通常具有较大的电容，但其功率密度较低和循环寿命较差的问题仍有待解决。因此，将两种类型的电极材料结合制备复合材料有望得到更高性能的电极材料。

基于此，来自大连工业大学的安庆大教授、佟瑶副教授与中国科学院大连化物所王开副研究员合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Nickel-cobalt bimetallic tungstate decorated 3D hierarchical porous carbon derived from lignin for high-performance supercapacitor applications”的观点文章。

该观点文章发展了一种在木质素衍生的分级多孔炭(HPC)上合成具有不同Co/Ni比 (x=0.5, 1, 1.5, 2)的Ni_4-xCo_xWO₄的简便方法。整个合成过程主要涉及碳化活化制备HPC，然后通过易于控制的共沉淀法合成Ni4-xCoxWO4/HPC复合材料。为设计和开发新型纳米复合多孔材料并实现高性能储能器件的发展提供了理论基础和实验依据。

要点一：Ni_4-xCo_xWO₄/HPC的制备与表征

图1a中显示五种材料的衍射峰强度较低，表明金属钨酸盐的微晶尺寸效应和结晶较差。一般来说，结晶度差的材料可能会比结晶度高的材料产生更多的传输通道。从图2c-f中可以看出，Ni₃Co₁WO₄纳米颗粒随机分布在炭基体表面上，HPC作为支撑Ni3Co1WO4的基质并避免纳米组分的聚集，使电解质能够快速的在炭基质中扩散，从而提高电化学性能。XPS结果表明Ni₃Co₁WO₄/HPC 复合材料中具有两个氧化还原对（Ni²⁺/Ni³⁺和Co²⁺/Co³⁺），这将有利于产生高电容量。

随着Ni_4-xCo_xWO₄/HPC（x=0.5，1，1.5，2）中Co含量从0.5增加到2，Ni₃Co₁WO₄/HPC电极表现出优异的电化学性能，在在0.5 A g^-1时电容为1084 F g^-1，这可能得益于独特的三维分层多孔纳米结构以及双金属的协同效应。

原始NiWO₄在GGA+U能级表现出禁带宽度约为2.42 eV的半导体特征。其价带顶主要由Ni3d和O2p轨道组成；而导带底起源于空的W5d和Ni轨道。图5c-d是Ni_3.5Co_0.5WO₄和Ni₃Co₁WO₄的DOS结果。由于Ni被Co部分取代，费米能级向下移动到价带中，并且禁带宽度减小，表明这些双金属条件下该化合物的导电性得到明显改善。如图5e所示，当Co:Ni比例增加到1.5:2.5时，价带顶主要由Co和Ni的轨道组成，O 2p轨道的贡献逐渐变得可以忽略不计。由于eg态小于p态，这些高Co含量的双金属化合物的导电性会比Co含量低的化合物差。

由于生物质炭材料的结构复杂性，因此尚未明确生物质炭与过渡金属氧化物之间的作用机制，从而未能有针对性地设计电极结构，该目标可以通过研究木质素基碳材料模型化合物与过渡金属氧化物之间的作用机制来模拟实现。其次，研究电极材料在电荷储存过程中内部的机理，研究电极材料在储能过程中电解液离子的动态变化过程，同时有针对性地采用合适离子液体作为电极液以拓宽电极窗口，从而根据其机理设计具有更高电化学性能的电极材料。

安庆大教授 简介：理学博士，二级教授，博士生导师，享受国务院特殊津贴专家、“兴辽英才计划”科技创新领军人才（特聘教授）、辽宁省“百千万人才工程”百人层次人选，辽宁省普通高校优秀青年骨干教师和大连市优秀专家、大连市特殊津贴专家。中国工程院产业工程科技委员会表面活性剂研究开发促进会副理事长，中国轻工业联合会轻工表面活性剂应用研究会副理事长，辽宁省盐业协会副理事长，大连市化工学会副理事长，现任大连工业大学副校长。作为会议主席承办第三届“全国离子液体与绿色过程”会议。长期从事新型功能材料、离子液体设计合成及废弃物资源化利用等研究工作；近年重点开展了离子液体的规模化制备，成功设计搭建离子液体的规模化合成工艺设备。

在Chinese Journal of Catalysis, Chinese Journal of Chemical Engineering, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Chemistry A, Bioresource Technology, Journal of Materials Chemistry C, ACS Sustainable chemistry & Engineering, Journal of Cleaner Production和Carbohydrate Polymers等国际知名期刊发表研究论文几十余篇。承担和完成国家自然科学基金、辽宁省教育厅“新型工业助剂与废弃物资源化利用”创新团队、辽宁省高校优秀人才支持计划、辽宁省科技计划和大连市科技计划等项目20余项。作为第一完成人获得辽宁省科技进步一等奖1项、大连市科技进步一等奖1项；作为主要完成人获得辽宁省自然科学二等奖、中国轻工业联合会科技进步一等奖和辽宁省科技进步二等奖等多项科技奖励。

师菲艳，大连工业大学轻工与化学工程学院2019级在读硕士研究生，导师为佟瑶副教授。以第一作者发表论文Journal of Materials Chemistry A，International Journal of Biological Macromolecules，Journal of Energy Storage。硕士期间主要研究方向为基于酶解木质素基生物质炭与过渡金属氧化物复合电极的制备与电化学性能研究。

Nickel-cobalt bimetallic tungstate decorated 3D hierarchical porous carbon derived from lignin for high-performance supercapacitor applications

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/TA/D2TA01636B