华科韩建涛教授Adv. Energy Mater.: 高性能超级电容器活性材料MOFs衍生蜂巢状Co9S8@C

【引言】

在赝电容电极材料中，钴化合物一直是研究的热点。特别是，Co₉S₈被认为是最具吸引力的电极材料之一，因为它具有较高的理论比容量(0-0.45 V工作电压范围内为5449 F·g^-1)和合适的电导率，可以在不牺牲混合超级电容器(HSC)的功率密度的前提下提高其能量密度。
金属有机框架(MOF)是一类结晶多孔材料，通过金属离子/簇和有序配体与有序开放孔道的组装形成，该特殊结构使得MOF可作为模板来构筑高度有序的纳米结构。有机配体可以热解转化为碳骨架，其继承了MOF前驱体的结构优点，例如高比表面积、多孔性、较大的孔体积以及有序的孔道。此外，碳基质可以有效地分散活性金属化合物纳米颗粒。

【成果简介】

近日，华中科技大学韩建涛教授(通讯作者)、孙世雄博士(第一作者)等以金属有机框架(MOFs)衍生的钴硫化物/3D蜂巢状多孔碳复合材料作为高性能超级电容器电极材料，电流密度为1 A·g^-1时其容量高达约1887 F·g^-1，并在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Metal-Organic Framework Derived Honeycomb Co₉S₈@C Composites for High-Performance Supercapacitors”的研究论文。由Co₉S₈纳米颗粒松散附着在蜂巢状结构的碳骨架上构成的Co₉S₈@C复合材料，具有丰富的表面积和高导电性，从而改善了Co₉S₈电极材料界面上的法拉第过程，并增加了参与氧化还原反应的Co₉S₈活性位点，表现出优异的电化学性能。因此，使用Co₉S₈@C与活性炭作为对电极组成的非对称混合超级电容器在1000 W·kg^-1的功率密度下表现出58 Wh·kg^-1的高能量密度。即使在17200 W·kg^-1的超高功率密度下，其能量密度仍保持在约38 Wh·kg^-1。混合超级电容器还表现出良好的循环稳定性，在电流密度为5 A·g^-1的10000次连续循环后，容量保持率约为90%。该工作为使用MOF作为牺牲模板合成金属硫化物以实现高效电化学能量存储提出了一种实用方法。

【图文简介】

图1 Co₉S₈@C复合材料的制备过程与形貌表征

a) Co₉S₈@C-500的合成过程示意图；

b) Co₉S₈@C-500的FESEM图像；

c,d) Co₉S₈@C-500的TEM图像(内插：颗粒尺寸分布)；

e) Co₉S₈@C-500的HRTEM图像；

f) Co₉S₈@C-500的SAED图像；

g-i) Co₉S₈@C-500的元素分布图像。

图2 Co₉S₈@C复合材料的结构表征

a) Co₉S₈-500、Co₉S₈@C-500和Co₉S₈@C-600的XRD图谱；

b) Co₉S₈-500、Co₉S₈@C-500和Co₉S₈@C-600的氮气吸-脱附曲线(内插：孔径分布曲线)；

c) Co₉S₈-500的Co 2p XPS谱图；

d) Co₉S₈@C-500的Co 2p XPS谱图。

图3 Co₉S₈@C复合材料的电化学性能

a) 5 mV·s^-1扫速下，Co₉S₈-500、Co₉S₈@C-500和Co₉S₈@C-600的典型CV曲线；

b) 1 A·g^-1电流密度下，上述样品的充/放电曲线；

c) 放电容量随倍率变化的比较；

d) 不同电流密度下，Co₉S₈@C-500与其他金属硫化物的比容量比较；

e) 5 A·g^-1电流密度下的循环性能。

图4 ACs的形貌和电化学性能

a) ACs的FESEM图像；

b) ACs的TEM图像；

c) 不同扫速下ACs的CV曲线；

d) 不同电流密度下ACs的恒电流充/放电曲线。

图5 Co₉S₈@C//APDC HSCs的电化学性能

a) 不同扫速下的CV曲线；

b) 不同电流密度下的恒电流充/放电曲线；

c) 不同电流密度下相应的比容量；

d) Co₉S₈@C//APDC与其他HSCs的能量比较图；

e) 5 A·g^-1电流密度下的循环性能。

【小结】

综上所述，作者报道了一种由MOF模板衍生的结构有序的Co₉S₈@C复合材料，并将其作为HSCs的电极。与Co₉S₈相比，MOF衍生的蜂巢状Co₉S₈@C复合材料具有大的表面积、合适的孔结构和结构坚固性，表现出优异的电化学性能。此外，为了进一步评估其性能，作者制备了HSC器件，其中以Co₉S₈@C-500复合物作为正极、活性炭作为负极。该装置具有高能量密度(功率密度为1000 W·kg^-1时为58 Wh·kg^-1)和功率密度(即使功率密度为17200 W·kg^-1时能量密度保持在38 Wh·kg^-1)以及优异的循环稳定性(在电流密度为5 A·g^-1时，在10000次循环后约90%的容量保持率)，表明其在一些快速储能系统中具有潜在应用。

文献链接： Metal–Organic Framework Derived Honeycomb Co₉S₈@C Composites for High-Performance Supercapacitors (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201801080)

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