近日，四川大學(xué)青年教師吉俊懿副教授帶領(lǐng)的新能源材料課題組在能量存儲與轉(zhuǎn)換器件研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果“Co-doped Ni3S2@CNTs Array Anchored on Graphite Foam with Hierarchical Conductive Network for High-Performance Supercapacitor and Hydrogen Evolution Electrode”發(fā)表于國際知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》（2016年影響因子8.867）上。該論文第一作者為四川大學(xué)beat3652016級碩士生王飛飛，beat365吉俊懿副教授為該論文的通訊作者。
近年來，超級電容器和電催化材料由于環(huán)境友好和循環(huán)壽命高等優(yōu)點引起了持續(xù)的關(guān)注。其中，鈷摻雜Ni3S2復(fù)合材料由于具備豐富的氧化還原價態(tài)，與單金屬Ni3S2或Co3S4相比表現(xiàn)出更好的電化學(xué)活性。然而，電導(dǎo)率較差和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定引起的活性材料利用率有限和反應(yīng)動力學(xué)緩慢等缺點阻礙了其性能的進(jìn)一步提升。為了提高金屬硫化物的電化學(xué)性能，可以通過在活性材料表面覆蓋導(dǎo)電聚合物或多孔碳來構(gòu)建外部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。然而，電極/電解質(zhì)界面處的外部導(dǎo)電層的增加也會增加電解質(zhì)離子擴散阻力，因此產(chǎn)生離子和電子轉(zhuǎn)移速率之間的“Trade-Off”效應(yīng)。
因此，采用構(gòu)建多層內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的方法不僅可以提升電子傳遞速率，同時不會阻礙離子通過電極界面的遷移過程。與此同時，為了得到良好的儲能及電催化性能，導(dǎo)電骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要兼顧大有效面積和高傳質(zhì)效率兩大需求。
基于此，本實驗設(shè)計了一種具有高傳質(zhì)效率的碳納米管/泡沫石墨多級導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（見圖1），垂直于泡沫石墨骨架界面的碳納米管陣列具有良好的可接觸界面面積及傳質(zhì)通路，能夠?qū)崿F(xiàn)電解液及所產(chǎn)生氣體的快速遷移。與此同時，負(fù)載活性物質(zhì)的復(fù)合電極實現(xiàn)了離子/電子遷移通路的分離，即離子通過電解液/活性物質(zhì)界面遷移，電子通過內(nèi)部導(dǎo)電骨架傳輸，從而有效避免了“Trade-Off”效應(yīng)的發(fā)生。
圖1 Co-Ni3S2@CNTs/GNF復(fù)合材料的合成示意圖
本研究首先以氧化鋅為模板和催化劑生長碳納米管/泡沫石墨為多級導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，隨后通過可控制備得到“雞毛撣子”狀鈷摻雜硫化鎳納米交叉片/碳納米管/泡沫石墨多級結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。該材料具備優(yōu)良的碳納米管/GNF內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，能夠在降低電解液離子傳質(zhì)阻力的同時有效地提升導(dǎo)電效率，從而提升活性物質(zhì)的利用效率，強化能量的存儲與轉(zhuǎn)換（見圖2）。因此，Co-Ni3S2@CNTs/GNF復(fù)合材料在1 mA cm-2下的最高比電容為4.1 F cm-2，高于NiCo-LDH@CNTs/GNF和Co-Ni3S2/GNF。同時，Co-Ni3S2@CNTs/GNF也表現(xiàn)出良好的倍率性能（40 mA cm-2面電容留存率為57.8％）及循環(huán)穩(wěn)定性（1000次循環(huán)后電容留存率為89.8％）。與此同時，該多級復(fù)合電極也表現(xiàn)出良好電催化析氫活性（在10 mA cm-2時過電位為155 mV）和優(yōu)異的電催化穩(wěn)定性，證明了該理性設(shè)計的Co-Ni3S2@CNTs/GNF多級復(fù)合材料可以作為理想的儲能材料及電催化材料。
圖2 a, b, c) NiCo-LDH@CNTs/GNF復(fù)合材料前驅(qū)體和d, e, f) Co-Ni3S2@CNTs/GNF的掃描電鏡圖
該項研究得到了國家自然科學(xué)基金項目（21506130，21490582，21776187）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費、高分子材料工程國家重點實驗室自主課題經(jīng)費（sklpme2017-3-01）等資助。
原文連接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/ta/c8ta03131b
新能源材料課題組 供稿
李天友 審核
高敏 編輯
beat365
2018年5月23日
