華科韓建濤教授Adv. Energy Mater.: 高性能超級電容器活性材料MOFs衍生蜂巢狀Co9S8@C

【引言】

在贗電容電極材料中，鈷化合物一直是研究的熱點。特別是，Co₉S₈被認為是最具吸引力的電極材料之一，因為它具有較高的理論比容量(0-0.45 V工作電壓范圍內為5449 F·g^-1)和合適的電導率，可以在不犧牲混合超級電容器(HSC)的功率密度的前提下提高其能量密度。
金屬有機框架(MOF)是一類結晶多孔材料，通過金屬離子/簇和有序配體與有序開放孔道的組裝形成，該特殊結構使得MOF可作為模板來構筑高度有序的納米結構。有機配體可以熱解轉化為碳骨架，其繼承了MOF前驅體的結構優點，例如高比表面積、多孔性、較大的孔體積以及有序的孔道。此外，碳基質可以有效地分散活性金屬化合物納米顆粒。

【成果簡介】

近日，華中科技大學韓建濤教授(通訊作者)、孫世雄博士(第一作者)等以金屬有機框架(MOFs)衍生的鈷硫化物/3D蜂巢狀多孔碳復合材料作為高性能超級電容器電極材料，電流密度為1 A·g^-1時其容量高達約1887 F·g^-1，并在Adv. Energy Mater.上發表了題為“Metal-Organic Framework Derived Honeycomb Co₉S₈@C Composites for High-Performance Supercapacitors”的研究論文。由Co₉S₈納米顆粒松散附著在蜂巢狀結構的碳骨架上構成的Co₉S₈@C復合材料，具有豐富的表面積和高導電性，從而改善了Co₉S₈電極材料界面上的法拉第過程，并增加了參與氧化還原反應的Co₉S₈活性位點，表現出優異的電化學性能。因此，使用Co₉S₈@C與活性炭作為對電極組成的非對稱混合超級電容器在1000 W·kg^-1的功率密度下表現出58 Wh·kg^-1的高能量密度。即使在17200 W·kg^-1的超高功率密度下，其能量密度仍保持在約38 Wh·kg^-1。混合超級電容器還表現出良好的循環穩定性，在電流密度為5 A·g^-1的10000次連續循環后，容量保持率約為90%。該工作為使用MOF作為犧牲模板合成金屬硫化物以實現高效電化學能量存儲提出了一種實用方法。

【圖文簡介】

圖1 Co₉S₈@C復合材料的制備過程與形貌表征

a) Co₉S₈@C-500的合成過程示意圖；

b) Co₉S₈@C-500的FESEM圖像；

c,d) Co₉S₈@C-500的TEM圖像(內插：顆粒尺寸分布)；

e) Co₉S₈@C-500的HRTEM圖像；

f) Co₉S₈@C-500的SAED圖像；

g-i) Co₉S₈@C-500的元素分布圖像。

圖2 Co₉S₈@C復合材料的結構表征

a) Co₉S₈-500、Co₉S₈@C-500和Co₉S₈@C-600的XRD圖譜；

b) Co₉S₈-500、Co₉S₈@C-500和Co₉S₈@C-600的氮氣吸-脫附曲線(內插：孔徑分布曲線)；

c) Co₉S₈-500的Co 2p XPS譜圖；

d) Co₉S₈@C-500的Co 2p XPS譜圖。

圖3 Co₉S₈@C復合材料的電化學性能

a) 5 mV·s^-1掃速下，Co₉S₈-500、Co₉S₈@C-500和Co₉S₈@C-600的典型CV曲線；

b) 1 A·g^-1電流密度下，上述樣品的充/放電曲線；

c) 放電容量隨倍率變化的比較；

d) 不同電流密度下，Co₉S₈@C-500與其他金屬硫化物的比容量比較；

e) 5 A·g^-1電流密度下的循環性能。

圖4 ACs的形貌和電化學性能

a) ACs的FESEM圖像；

b) ACs的TEM圖像；

c) 不同掃速下ACs的CV曲線；

d) 不同電流密度下ACs的恒電流充/放電曲線。

圖5 Co₉S₈@C//APDC HSCs的電化學性能

a) 不同掃速下的CV曲線；

b) 不同電流密度下的恒電流充/放電曲線；

c) 不同電流密度下相應的比容量；

d) Co₉S₈@C//APDC與其他HSCs的能量比較圖；

e) 5 A·g^-1電流密度下的循環性能。

【小結】

綜上所述，作者報道了一種由MOF模板衍生的結構有序的Co₉S₈@C復合材料，并將其作為HSCs的電極。與Co₉S₈相比，MOF衍生的蜂巢狀Co₉S₈@C復合材料具有大的表面積、合適的孔結構和結構堅固性，表現出優異的電化學性能。此外，為了進一步評估其性能，作者制備了HSC器件，其中以Co₉S₈@C-500復合物作為正極、活性炭作為負極。該裝置具有高能量密度(功率密度為1000 W·kg^-1時為58 Wh·kg^-1)和功率密度(即使功率密度為17200 W·kg^-1時能量密度保持在38 Wh·kg^-1)以及優異的循環穩定性(在電流密度為5 A·g^-1時，在10000次循環后約90%的容量保持率)，表明其在一些快速儲能系統中具有潛在應用。

文獻鏈接： Metal–Organic Framework Derived Honeycomb Co₉S₈@C Composites for High-Performance Supercapacitors (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201801080)

本文由材料人編輯部新能源小組abc940504編譯整理，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065953”。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！