中北大学郭丽团队研究成果:Ni₀.₈₅Se@MnₓCo₂-ₓSe₂/CC自支撑电极构建及超级电容器性能研究
引言
在全球气候变化和“双碳”目标的背景下,储能技术的发展备受关注。超级电容器因其快速充放电、高功率密度、长循环寿命等优点,在储能领域占据重要地位。本文聚焦于过渡金属硒化物作为超级电容器电极材料的研究,旨在通过创新方法提升其电化学性能。文章基于中北大学郭丽团队研究成果及国家自然科学基金青年项目资助。
1、研究背景
超级电容器根据储能机理可分为双电层电容和赝电容。尽管双电层电容技术成熟,但其能量密度较低,限制了实际应用。赝电容材料如过渡金属氧化物和硫化物虽具有高比电容,但存在导电性差、反应动力学缓慢等问题。相比之下,过渡金属硒化物表现出优异的导电性、机械和热稳定性,成为研究热点。特别是双金属硒化物,因其高比容量和宽电位窗口,被广泛用于超级电容器电极材料的研究。
2、创新亮点
(1)材料复合创新
本研究通过两步水热法,在MnₓCo₂₋ₓSe₂/CC表面成功包覆Ni0.85Se纳米颗粒,形成Ni0.85Se@MnₓCo₂₋ₓSe₂/CC复合材料。这种复合结构不仅增加了活性位点,还显著提升了电极材料的导电性和电化学性能。
(2)自支撑电极设计
利用炭布作为导电基底,直接在其表面生长复合材料,形成自支撑电极。这种设计增强了活性材料与基底之间的附着力,提高了电极的稳定性和循环性能。同时,炭布的高比表面积和优异导电性进一步提升了电极的整体性能。
(3)全面性能评估
通过XRD、SEM、XPS等多种表征手段,系统分析了复合材料的物相组成、微观形貌和元素价态。并利用CV、GCD、EIS等电化学测试方法,全面评估了材料的比电容、倍率性能和循环稳定性。结果显示,该复合材料在超级电容器应用中展现出极高的潜力。
3、图文展示
图1 Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2/CC材料的合成示意图
Fig.1 Schematic diagram for the synthesis of Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2/CC electrode
图2 (a)MnxCo2-xSe2/CC;(b)Ni0.85Se/CC;(c)Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2/CC在不同放大率下的SEM图像;(d)C、Ni、O、Se、Co、Mn的EDS图谱
Fig.2 SEM images of (a)MnxCo2-xSe2/CC, (b)Ni0.85Se/CC and (c)Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2/CC at different magnifications; (d)EDS mapping of C, Ni, O, Se, Co and Mn
图3 (a)Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2/CC和Ni0.85Se/CC的XRD图谱;(b) Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2/CC的N2吸脱附
Fig.3 (a)XRD patterns of Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2/CC and Ni0.85Se/CC;(b)N2 adsorption-desorption of Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2/CC
图4 高分辨率XPS光谱:(a)Mn2p,(b)Co2p,(c)Ni2p和(d)Se3d
Fig.4 High-resolution XPS spectra:(a)Mn2p;(b)Co2p;(c)Ni2p;(d)Se3d
图6 (a)Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2,Ni0.85Se和MnxCo2-xSe2的logi与logv的曲线对比;(b)Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2在50 mV/ s时的电容贡献;以及(c)电容贡献的百分比
Fig.6 (a)Comparison of the curves of logi versus logv for Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2, Ni0.85Se and MnxCo2-xSe2;(b) capacitive contribution of Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2 at 50 mV/s;(c) percentage of the capacitive contribution
4、结论
(1)成功合成复合材料:本研究采用两步水热法,成功合成了具有颗粒球状结构的Ni0.85Se@MnₓCo₂₋ₓSe₂/CC复合材料。该材料结合了Ni0.85Se的高导电性和MnₓCo₂₋ₓSe₂的高比容量,表现出优异的电化学性能。
(2)电化学性能显著提升:电化学测试结果表明,Ni0.85Se@MnₓCo₂₋ₓSe₂/CC电极材料在1 A/g电流密度下比电容达1 083 F/g,电流密度增大20倍时比电容保持率为84%,优于单一材料,表明复合材料具有优异的倍率性能。
(3)循环稳定性出色:经过8 000次充放电循环后,Ni0.85Se@MnₓCo₂₋ₓSe₂/CC材料的比电容保持率达81.3%,显示出良好的循环稳定性。这一结果验证了复合材料在长时间充放电过程中的可靠性和耐久性。
引用本文
文章发表于《功能材料》2025年第56卷第7期,欢迎引用本文:
薛磊磊,刘淑源,郑智超,等.Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2/CC自支撑电极构建及超级电容器性能研究[J].功能材料,2025,56(7):07200-07208.
Xue L L,Liu S Y,Zheng Z C,et al.Construction and supercapacitor performance of Ni0.85Se@MnxCo2-xSe2/CC free-standing electrode[J].Journal of Functional Materials,2025,56(7):07200-07208.