西安電子科技大學Nano Energy：具有優異導電性和電容性能的Ni0.85Co0.15WO4納米片電極用于超級電容器

【引言】

根據能量的存儲機制，超級電容器可以分為兩類：電雙層電容器（EDLCs）和贗電化學電容器（PCs）。 PCs可存儲比EDLCs更多的能量，這歸因于電極材料和電解質溶液之間的快速可逆的法拉第氧化還原反應。過渡金屬氧化物作為PCs的電極材料已經被廣泛關注。然而，一些明顯的缺點例如低導電性、低穩定性和電容的快速衰減等問題，阻礙了它們的實際應用。一些研究表明，NiCo₂O₄的電化學性能可以得到大幅度的提升，因為相比于單一的金屬氧化物NiO和Co₃O₄，其具有更高的電子電導率。與相應的元素氧化物相比，復合過渡金屬氧化物的電化學性能增強歸因于兩種不同金屬陽離子的多種氧化態。在復合過渡金屬氧化物中，金屬鎢酸鹽因其資源豐富，成本低廉，無毒，環保，易于制備和穩定的多功能特性而具有廣闊的應用前景。

【成果簡介】

近日，西安電子科技大學黃云霞副教授聯合美國華盛頓大學曹國忠教授（共同通訊作者）報道了一種通過簡單的化學共沉淀方法合成了Ni_0.85Co_0.15WO₄固溶體。當Co²⁺離子參加到NiWO₄晶格中時，其比表面積隨著孔半徑減小而明顯增加。與NiWO₄相比，Ni_0.85Co_0.15WO₄的電導率隨帶隙降低而增加。通過循環伏安法(CV)，恒電流循環(GC)和電化學阻抗譜(EIS)測試Ni_1-xCo_xWO₄(x=0和0.15)電極的電化學性能。與NiWO₄相比，Ni_0.85Co_0.15WO₄樣品表現出顯著增加的電導率，更快的動力學過程以及更高的容量和更好的倍率性能。相關研究成果以“Ni_0.85Co_0.15WO₄Nanosheet Electrodes for Supercapacitors with Excellent Electrical Conductivity and Capacitive Performance”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖一 黑鎢礦NiWO₄晶體結構示意圖

（a）NiWO₄晶胞

（b）（100）晶格平面的投影

圖二 未經退火處理的NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄樣品的XRD圖譜

圖三 （a）W4f，（b）Ni 2p，（c）Co 2p和（d）O1s的Ni_0.85Co_0.15WO₄樣品的XPS譜圖

圖四?FEMEM（a和b），TEM（c和d），HRTEM（e和f）以及IFFT（g和h），插圖是相應的FFT衍射圖

圖五?NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄樣品的氮吸附/解吸等溫線（a）和BJH中孔分布（b）

圖六?NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄樣品的紫外-可見吸收光譜（a）和帶隙（b）

圖七?Ni_0.85Co_0.15WO₄的電化學性能表征

（a）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄樣品在掃描速率為5 mV s^-1時的CV曲線比較

（b，c）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄在不同掃速下的CV曲線

（d）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄掃描速率的平方根和氧化還原峰值電流密度函數關系圖

（e）插入到NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄電極中的OH^-離子的示意圖

圖八?NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄電化學性能對比

（a）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄電極在0.1A g^-1電流密度下的GC曲線比較

（b，c）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄電極在不同電流密度下的GC曲線

圖九?NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄電極的循環性能

圖十?NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄的阻抗性能

（a）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄的EIS圖

（b）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄樣品在低頻區Z_re和ω^-1/2之間的關系圖

【小結】

本文通過簡單的化學共沉淀方法成功合成NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄納米片，并作為超級電容器的電極進行研究。當用作超級電容器的電極，Ni_0.85Co_0.15WO₄已被證明比NiWO₄具有明顯增強的比電容和倍率性能。與NiWO₄相比，Ni_0.85Co_0.15WO₄的電導率明顯提高。Co²⁺的引入增強了電導率可歸因于Ni_0.85Co_0.15WO₄帶隙的減小。此外，高電導率和良好的孔隙結構改善了電解質和Ni_0.85Co_0.15WO₄電極之間的潤濕性，這改善了OH^-離子擴散動力學過程。Ni_0.85Co_0.15WO₄電極在0.1A / g^-1的電流密度下顯示出360F g^-1的比電容，并且在0.5A/g下長時間循環下仍有78％的容量保持率。然而與NiWO₄電極相比，Ni_0.85Co_0.15WO₄電極的循環穩定性不令人滿意，需要進一步研究和改進。

文獻鏈接：“Ni_0.85Co_0.15WO₄ Nanosheet Electrodes for Supercapacitors with Excellent Electrical Conductivity and Capacitive Performance”（Nano Energy.DOI.org/10.1016/j.nanoen.2018.03.082）

【團隊介紹】

本工作的作者依次為黃云霞、燕晨、石星、智文、李智敏、閆養希、張茂林和曹國忠。近年來，黃云霞副教授課題組致力于多孔炭材料、金屬氧化物/氫氧化物電極材料的改性及電化學性能的研究。其中，高能量密度的硫化活性炭應用于超級電容器的研究成果發表于Journal of Power Sources。Yunxia Huang, Stephanie L. Candelaria, Yanwei Li, Zhimin Li, Jianjun Tian,Lili Zhang, Guozhong Cao. Sulfurized activated carbon for high energy density supercapacitors, 2014, 252, 90-97

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，論文通訊作者黃云霞副教授修正供稿。。

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