Advanced Science：雙重包裹FeOOH量子點可在高電壓離子液體中實現出色的能量存儲

【背景】

近年來，為了開發可實際應用的具有高能量密度的超級電容器，學者們進行了大量的研究工作，研究結果發現通過使用具有高電壓窗口的有機電解質來提高超級電容器的工作電壓，可以大幅度的提升超級電容器的能量密度。離子液體作為一種新型的有機電解質引起了極大的關注。傳統有機電解質雖然電化學窗口較寬，但是易揮發，易燃燒，安全性差。相比之下，離子液體不僅不易揮發，不易燃，溫度范圍寬，安全性高，而且離子液體具有非常寬的電化學電壓窗口（2.5~4 V），因此在超級電容器的儲能領域表現出潛在的應用價值。

由于具有獨特的納米尺寸效應和表面效應，基于金屬（氫）氧化物的贗電容量子點（QDs）在高性能超級電容器方面具有巨大的潛力。然而，贗電容QDs的氧化還原電化學反應通常在水系超級電容器中才能夠實現，在高電壓的離子液體電解質中卻缺乏相關的研究報道。此外，由于QDs自身具有較高的表面能和范德華力，它們的本征團聚容易減緩電子電荷的有效轉移，所以當前面臨的挑戰是如何制備高效的金屬（氫）氧化物QDs電極？并且怎樣將其贗電容行為發揮在離子液體電解質的儲能中？

【成果簡介】

近期，江蘇科技大學材料學院晏超教授課題組與中科院蘭州化學物理研究所閻興斌研究員合作，在對離子液體基超級電容器研究基礎上（NPG Asia Mater. 2019, 11,1884; Nature Communications, 2017, 8, 2188等），首次報道了雙重包裹羥基氧化鐵量子點電極（FQDs/CNTC）在離子液體電解質中的贗電容儲能行為。通過實驗設計，將羥基氧化鐵量子點（FQDs）穩定地限域在由多孔碳氮聚合物（g-C₃N₄）和Ti-MXene（Ti₃C₂）形成的二維異質納米空間中。電位驅動下界面處的離子積累探測表明，在離子液體的離子和具有豐富活性位點的電極表面之間會發生強吸附作用，從而使電極中的FQDs發生足夠的氧化還原反應。基于此，利用離子液體凝膠作為固態電解質，基于FQDs/CNTC電極構筑了具有高能量密度的柔性電容器，其可通過獲取可持續能源為各種可穿戴和便攜式電子設備提供有效的能量。研究成果以題為“Porous g-C₃N₄ and MXene Dual-Confined FeOOH Quantum Dots for Superior Energy Storage in an Ionic Liquid”發表在國際著名期刊Advanced Science上，論文第一作者為江蘇科技大學青年教師施敏杰博士。

【圖文導讀】

圖1. FQDs/CNTC的形貌和結構表征

(a) 低分辨率和b) 高分辨率下導電Ti₃C₂納米片的TEM圖像；

(c) 低分辨率和d) 高分辨率下多孔g-C₃N₄納米片的TEM圖像；

(e) 由g-C₃N₄和Ti₃C₂雙重包裹FQDs形成的FQDs/CNTC電極的TEM圖像；

(f, g) 是(e)圖中紅色虛線區域的高分辨率TEM圖像；

(h) FQDs/CNTC的結構示意圖；

(i) FQDs/CNTC的元素分布圖；

(j) FQDs/CNTC的AFM圖；

(k) FQDs/CNTC的XPS全譜；

(l) FQDs/CNTC中Fe 2p的高分辨XPS圖。

圖2. FQDs/CNTC電極在離子液體中的電化學性能測試

(a) CNTC與FQDs/CNTC電極在離子液體中CV曲線的比較；

(b) 在不同掃速下，FQDs/CNTC電極在離子液體中的CV曲線和相應的比電容；

(d) FQDs/CNTC電極在離子液體中電化學行為的示意圖；

(e) 伏安響應下，非擴散控制的電容范圍（陰影區域）；

(f) 不同掃描速率下，擴散控制和非擴散控制的電容貢獻率；

(g) 不同電流密度下，FQDs/CNTC電極在離子液體中的GCD曲線；

(h) 在充放電過程中，FQDs/CNTC電極中Fe 2p的XPS譜圖；

(i) 不同電流密度下，FQDs/CNTC電極在離子液體中對應的比容量。

圖3. FQDs/CNTC電極@離子液體電解質界面的研究

(a) FQDs/CNTC電極和FQDs/ACNF（FQDs直接在碳纖維布上生長）電極在離子液體電解質中的CV曲線對比；

(b) FQDs/CNTC和FQDs/ACNF電極在離子液體電解質中界面微分方程的Cd-E曲線；

(c) FQDs/CNTC和FQDs/ACNF電極與離子液體電解質形成的界面雙電層結構。

圖4. FQDs/CNTC電極在離子液體中擴散動力學的分析

(a) FQDs/CNTC和FQDs/ACNF電極在離子液體中的Nyquist曲線和(b) 擴散系數曲線的比較；

(c) 離子液體的液滴在FQDs/ACNF和FQDs/CNTC電極上的接觸角和固體表面自由能的對比。

圖5. FQDs/CNTC電極在離子液體中的電化學過程示意圖

圖6. 基于離子液體凝膠電解質形成的柔性電容器的性能及應用

(a) 柔性電容器在不同掃描率下的CV曲線，插圖是柔性電容器的數碼照片；

(b) 柔性電容器的GCD曲線和Ragone曲線；

(d) 在平直和彎曲狀態下，柔性電容器的循環壽命，插圖顯示了彎曲狀態下柔性電容器的供電；

(e) 通過串聯或并聯的設計，柔性電容器為各種便攜式和可穿戴電子設備供電的數碼照片；

(f) 在實際應用中，柔性電容器獲取可持續能源的圖像。

【結論】

該團隊開發出一種新型的贗電容QDs電極用于高電壓的離子液體基超級電容器。通過在多孔g-C₃N₄和導電Ti₃C₂納米片中雙重限域羥基氧化鐵QDs來實現有效的贗電容。多孔g-C₃N₄和導電Ti₃C₂納米片不僅分別充當電解質離子擴散和電子電荷轉移的快速通道，而且還共同提供了一種異質的納米空間來實現對贗電容QDs的雙重保護。結果發現，該贗電容QDs電極組裝的離子液體凝膠型柔性電容器表現出高的能量密度（77.12 mWh cm^-3），高功率密度（6000 mW cm^-3），以及優越的倍率和循環性能。本研究工作對于贗電容QDs的開發，對于高性能離子液體基儲能器件的發展提供了一定的思路。

文獻鏈接

Porous g‐C₃N₄?and MXene Dual‐Confined FeOOH Quantum Dots for Superior Energy Storage in an Ionic Liquid (Adv. Sci. 2019 DOI: 10.1002/advs.201901975)

本文由luna編譯供稿。

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