山科大，清華深研院，江蘇師大＆PSU，Advanced Materials：仿生構筑量子點/石墨烯異質結構強化電荷/離子傳輸

【導讀】

由于具有成本低和理論容量高等優點，尖晶石鐵氧體被認為是非常有潛力的電極材料。然而，傳統的塊狀鐵氧體材料仍受限于導電性差、活性位點不足和離子傳輸遲緩等問題。課題組前期工作（Carbon, 2022, 199, 520-528；Small, 2021, 17(1), 2004827；?Journal of Power Sources, 2021, 492, 229669；Carbon, 141 (2019) 748-757）開發了一系列不同結構的鐵氧體及其他金屬化合物，研究表明材料結構在提升電化學表現方面扮演著關鍵的角色。因此，鐵氧體基電極材料的組分結構的設計與調控至關重要。

【成果掠影】

近日，來自山東科技大學的付民，清華大學深圳國際研究生院的雷鈺、江蘇師范大學的林雨瀟與賓夕法尼亞州立大學Mauricio Terrones合作，開發了一種普適性的仿生合成策略，得到一系列尖晶石鐵氧體(XFe₂O₄, X = Ni, Co, Mn)量子點/石墨烯異質結構（XFe₂O_4?QD/G）。量子點結構牢固的錨定在石墨烯片層上，不僅增強了結構穩定性，而且改善了導電性，從而加速了離子傳輸和電荷遷移。良好的結構特性賦予了電極材料更好的電化學表現，所合成的NiFe₂O_4?QD/G復合電極材料表現出優異的電容性能（1 A?g^-1時比電容達到697.5 F?g^-1，10 A?g^-1時比電容為501.0 F?g^-1，1萬次循環后比電容沒有明顯衰減^?）。密度泛函理論計算表明，這種異質結構促進了離子吸附，強化了電荷/離子傳輸特性。另外，組裝的對稱型超級電容器在24.4?Wh kg^-1和17.4 Wh kg^-1?的能量密度下，功率密度分別可達499.3?W kg^-1和4304.2 W kg^-1。 該工作不僅豐富和拓展了仿生礦化合成策略的應用領域，而且為高性能電極材料的設計提供了新的思路。研究成果以題為“Biomimetic Construction?of Ferrite Quantum Dot/Graphene Heterostructure?for Enhancing Ion/charge Transfer?in Supercapacitors”發表在國際知名期刊Advanced Materials上。

【核心創新點】

仿生礦化合成策略通過將沉淀劑和反應溶液分離，減慢晶體成核和生長速度，將材料尺寸控制在量子點水平，構建了一系列量子點/石墨烯異質結構。多種結構表征手段證實了這種異質結構的成功構建。傳統塊體材料通常存在活性位點不足和離子傳輸遲緩等弊端。仿生礦化合成策略構建的異質結構，能夠充分釋放活性位點，加快電荷/離子傳輸。得益于鐵氧體量子點結構和高導電石墨烯之間的協同作用，所合成的復合電極材料表現出優異的電容性能（1 A?g^-1時比電容達到697.5 F?g^-1，10 A?g^-1時比電容為501.0 F?g^-1，1萬次循環后比電容沒有明顯衰減^?）。電化學測試和密度泛函理論計算證實了這種異質結構在促進離子吸附和強化電荷/離子傳輸特性方面獨特的優勢。

【數據概覽】

圖1量子點/石墨烯異質結構的構建示意圖。

圖2?NiFe₂O₄?QD/G的結構表征。（a, b）NiFe₂O₄?QD/G的SEM，（c, d）NiFe₂O₄?QD/G的TEM，（e）NiFe₂O₄?QD/G的EDS，（f, g）NiFe₂O₄?QD/G的AC-TEM，（h）NiFe₂O₄?QD/G的XRD，（i）NiFe₂O₄?QD/G的拉曼光譜，（j-l）NiFe₂O₄?QD/G的XPS

圖3 DFT理論計算1（吸附能及態密度）。（a-e）不同材料或晶面的側視圖和俯視圖以及吸附能，（f-h）不同材料的態密度。

圖4 DFT理論計算2（不同晶面和層數的態密度及自旋密度圖）。（a, d）單層NiFe₂O₄ (311)的態密度及自旋密度圖，（b, e）雙層NiFe₂O₄ (311)的態密度及自旋密度圖，（c, f）四層NiFe₂O₄ (311)的態密度及自旋密度圖，（g, j）單層NiFe₂O₄ (110)的態密度及自旋密度圖，（h, k）雙層NiFe₂O₄ (110)的態密度及自旋密度圖，（I, l）四層NiFe₂O₄ (110)的態密度及自旋密度圖。

圖5儲能器件的電化學性能。（a, b）電容貢獻和擴散貢獻，（c）CV，（d）GCD，（e）結構及離子/電荷傳輸示意圖，（f）能量密度和功率密度對比。

【成果啟示】

綜上所述，作者提出了一種普適性的仿生礦化合成策略，通過減慢晶體成核和生長速度，將材料尺寸控制在量子點水平，開發了一系列量子點/石墨烯異質結構。多種結構表征和密度泛函理論計算證實了這種異質結構在促進離子吸附和強化電荷/離子傳輸特性方面獨特的優勢。所得的電極材料及器件表現出優異的儲能效果，為高性能電極材料的設計提供了新的嘗試。

【文章鏈接】

Biomimetic Construction of Ferrite Quantum Dot/Graphene Heterostructure for Enhancing Ion/charge Transfer in Supercapacitors

DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202300940

本文由作者供稿