西安电子科技大学Nano Energy：具有优异导电性和电容性能的Ni0.85Co0.15WO4纳米片电极用于超级电容器

【引言】

根据能量的存储机制，超级电容器可以分为两类：电双层电容器（EDLCs）和赝电化学电容器（PCs）。 PCs可存储比EDLCs更多的能量，这归因于电极材料和电解质溶液之间的快速可逆的法拉第氧化还原反应。过渡金属氧化物作为PCs的电极材料已经被广泛关注。然而，一些明显的缺点例如低导电性、低稳定性和电容的快速衰减等问题，阻碍了它们的实际应用。一些研究表明，NiCo₂O₄的电化学性能可以得到大幅度的提升，因为相比于单一的金属氧化物NiO和Co₃O₄，其具有更高的电子电导率。与相应的元素氧化物相比，复合过渡金属氧化物的电化学性能增强归因于两种不同金属阳离子的多种氧化态。在复合过渡金属氧化物中，金属钨酸盐因其资源丰富，成本低廉，无毒，环保，易于制备和稳定的多功能特性而具有广阔的应用前景。

【成果简介】

近日，西安电子科技大学黄云霞副教授联合美国华盛顿大学曹国忠教授（共同通讯作者）报道了一种通过简单的化学共沉淀方法合成了Ni_0.85Co_0.15WO₄固溶体。当Co²⁺离子参加到NiWO₄晶格中时，其比表面积随着孔半径减小而明显增加。与NiWO₄相比，Ni_0.85Co_0.15WO₄的电导率随带隙降低而增加。通过循环伏安法(CV)，恒电流循环(GC)和电化学阻抗谱(EIS)测试Ni_1-xCo_xWO₄(x=0和0.15)电极的电化学性能。与NiWO₄相比，Ni_0.85Co_0.15WO₄样品表现出显著增加的电导率，更快的动力学过程以及更高的容量和更好的倍率性能。相关研究成果以“Ni_0.85Co_0.15WO₄Nanosheet Electrodes for Supercapacitors with Excellent Electrical Conductivity and Capacitive Performance”为题发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图一 黑钨矿NiWO₄晶体结构示意图

（a）NiWO₄晶胞

（b）（100）晶格平面的投影

图二 未经退火处理的NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄样品的XRD图谱

图三 （a）W4f，（b）Ni 2p，（c）Co 2p和（d）O1s的Ni_0.85Co_0.15WO₄样品的XPS谱图

图四 FEMEM（a和b），TEM（c和d），HRTEM（e和f）以及IFFT（g和h），插图是相应的FFT衍射图

图五 NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄样品的氮吸附/解吸等温线（a）和BJH中孔分布（b）

图六 NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄样品的紫外-可见吸收光谱（a）和带隙（b）

图七 Ni_0.85Co_0.15WO₄的电化学性能表征

（a）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄样品在扫描速率为5 mV s^-1时的CV曲线比较

（b，c）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄在不同扫速下的CV曲线

（d）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄扫描速率的平方根和氧化还原峰值电流密度函数关系图

（e）插入到NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄电极中的OH^-离子的示意图

图八 NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄电化学性能对比

（a）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄电极在0.1A g^-1电流密度下的GC曲线比较

（b，c）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄电极在不同电流密度下的GC曲线

图九 NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄电极的循环性能

图十 NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄的阻抗性能

（a）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄的EIS图

（b）NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄样品在低频区Z_re和ω^-1/2之间的关系图

【小结】

本文通过简单的化学共沉淀方法成功合成NiWO₄和Ni_0.85Co_0.15WO₄纳米片，并作为超级电容器的电极进行研究。当用作超级电容器的电极，Ni_0.85Co_0.15WO₄已被证明比NiWO₄具有明显增强的比电容和倍率性能。与NiWO₄相比，Ni_0.85Co_0.15WO₄的电导率明显提高。Co²⁺的引入增强了电导率可归因于Ni_0.85Co_0.15WO₄带隙的减小。此外，高电导率和良好的孔隙结构改善了电解质和Ni_0.85Co_0.15WO₄电极之间的润湿性，这改善了OH^-离子扩散动力学过程。Ni_0.85Co_0.15WO₄电极在0.1A / g^-1的电流密度下显示出360F g^-1的比电容，并且在0.5A/g下长时间循环下仍有78％的容量保持率。然而与NiWO₄电极相比，Ni_0.85Co_0.15WO₄电极的循环稳定性不令人满意，需要进一步研究和改进。

文献链接：“Ni_0.85Co_0.15WO₄ Nanosheet Electrodes for Supercapacitors with Excellent Electrical Conductivity and Capacitive Performance”（Nano Energy.DOI.org/10.1016/j.nanoen.2018.03.082）

【团队介绍】

本工作的作者依次为黄云霞、燕晨、石星、智文、李智敏、闫养希、张茂林和曹国忠。近年来，黄云霞副教授课题组致力于多孔炭材料、金属氧化物/氢氧化物电极材料的改性及电化学性能的研究。其中，高能量密度的硫化活性炭应用于超级电容器的研究成果发表于Journal of Power Sources。Yunxia Huang, Stephanie L. Candelaria, Yanwei Li, Zhimin Li, Jianjun Tian,Lili Zhang, Guozhong Cao. Sulfurized activated carbon for high energy density supercapacitors, 2014, 252, 90-97

本文由材料人编辑部学术组微观世界编译供稿，论文通讯作者黄云霞副教授修正供稿。。

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