Advanced Science：双重包裹FeOOH量子点可在高电压离子液体中实现出色的能量存储

【背景】

近年来，为了开发可实际应用的具有高能量密度的超级电容器，学者们进行了大量的研究工作，研究结果发现通过使用具有高电压窗口的有机电解质来提高超级电容器的工作电压，可以大幅度的提升超级电容器的能量密度。离子液体作为一种新型的有机电解质引起了极大的关注。传统有机电解质虽然电化学窗口较宽，但是易挥发，易燃烧，安全性差。相比之下，离子液体不仅不易挥发，不易燃，温度范围宽，安全性高，而且离子液体具有非常宽的电化学电压窗口（2.5~4 V），因此在超级电容器的储能领域表现出潜在的应用价值。

由于具有独特的纳米尺寸效应和表面效应，基于金属（氢）氧化物的赝电容量子点（QDs）在高性能超级电容器方面具有巨大的潜力。然而，赝电容QDs的氧化还原电化学反应通常在水系超级电容器中才能够实现，在高电压的离子液体电解质中却缺乏相关的研究报道。此外，由于QDs自身具有较高的表面能和范德华力，它们的本征团聚容易减缓电子电荷的有效转移，所以当前面临的挑战是如何制备高效的金属（氢）氧化物QDs电极？并且怎样将其赝电容行为发挥在离子液体电解质的储能中？

【成果简介】

近期，江苏科技大学材料学院晏超教授课题组与中科院兰州化学物理研究所阎兴斌研究员合作，在对离子液体基超级电容器研究基础上（NPG Asia Mater. 2019, 11,1884; Nature Communications, 2017, 8, 2188等），首次报道了双重包裹羟基氧化铁量子点电极（FQDs/CNTC）在离子液体电解质中的赝电容储能行为。通过实验设计，将羟基氧化铁量子点（FQDs）稳定地限域在由多孔碳氮聚合物（g-C₃N₄）和Ti-MXene（Ti₃C₂）形成的二维异质纳米空间中。电位驱动下界面处的离子积累探测表明，在离子液体的离子和具有丰富活性位点的电极表面之间会发生强吸附作用，从而使电极中的FQDs发生足够的氧化还原反应。基于此，利用离子液体凝胶作为固态电解质，基于FQDs/CNTC电极构筑了具有高能量密度的柔性电容器，其可通过获取可持续能源为各种可穿戴和便携式电子设备提供有效的能量。研究成果以题为“Porous g-C₃N₄ and MXene Dual-Confined FeOOH Quantum Dots for Superior Energy Storage in an Ionic Liquid”发表在国际著名期刊Advanced Science上，论文第一作者为江苏科技大学青年教师施敏杰博士。

【图文导读】

图1. FQDs/CNTC的形貌和结构表征

(a) 低分辨率和b) 高分辨率下导电Ti₃C₂纳米片的TEM图像；

(c) 低分辨率和d) 高分辨率下多孔g-C₃N₄纳米片的TEM图像；

(e) 由g-C₃N₄和Ti₃C₂双重包裹FQDs形成的FQDs/CNTC电极的TEM图像；

(f, g) 是(e)图中红色虚线区域的高分辨率TEM图像；

(h) FQDs/CNTC的结构示意图；

(i) FQDs/CNTC的元素分布图；

(j) FQDs/CNTC的AFM图；

(k) FQDs/CNTC的XPS全谱；

(l) FQDs/CNTC中Fe 2p的高分辨XPS图。

图2. FQDs/CNTC电极在离子液体中的电化学性能测试

(a) CNTC与FQDs/CNTC电极在离子液体中CV曲线的比较；

(b) 在不同扫速下，FQDs/CNTC电极在离子液体中的CV曲线和相应的比电容；

(d) FQDs/CNTC电极在离子液体中电化学行为的示意图；

(e) 伏安响应下，非扩散控制的电容范围（阴影区域）；

(f) 不同扫描速率下，扩散控制和非扩散控制的电容贡献率；

(g) 不同电流密度下，FQDs/CNTC电极在离子液体中的GCD曲线；

(h) 在充放电过程中，FQDs/CNTC电极中Fe 2p的XPS谱图；

(i) 不同电流密度下，FQDs/CNTC电极在离子液体中对应的比容量。

图3. FQDs/CNTC电极@离子液体电解质界面的研究

(a) FQDs/CNTC电极和FQDs/ACNF（FQDs直接在碳纤维布上生长）电极在离子液体电解质中的CV曲线对比；

(b) FQDs/CNTC和FQDs/ACNF电极在离子液体电解质中界面微分方程的Cd-E曲线；

(c) FQDs/CNTC和FQDs/ACNF电极与离子液体电解质形成的界面双电层结构。

图4. FQDs/CNTC电极在离子液体中扩散动力学的分析

(a) FQDs/CNTC和FQDs/ACNF电极在离子液体中的Nyquist曲线和(b) 扩散系数曲线的比较；

(c) 离子液体的液滴在FQDs/ACNF和FQDs/CNTC电极上的接触角和固体表面自由能的对比。

图5. FQDs/CNTC电极在离子液体中的电化学过程示意图

图6. 基于离子液体凝胶电解质形成的柔性电容器的性能及应用

(a) 柔性电容器在不同扫描率下的CV曲线，插图是柔性电容器的数码照片；

(b) 柔性电容器的GCD曲线和Ragone曲线；

(d) 在平直和弯曲状态下，柔性电容器的循环寿命，插图显示了弯曲状态下柔性电容器的供电；

(e) 通过串联或并联的设计，柔性电容器为各种便携式和可穿戴电子设备供电的数码照片；

(f) 在实际应用中，柔性电容器获取可持续能源的图像。

【结论】

该团队开发出一种新型的赝电容QDs电极用于高电压的离子液体基超级电容器。通过在多孔g-C₃N₄和导电Ti₃C₂纳米片中双重限域羟基氧化铁QDs来实现有效的赝电容。多孔g-C₃N₄和导电Ti₃C₂纳米片不仅分别充当电解质离子扩散和电子电荷转移的快速通道，而且还共同提供了一种异质的纳米空间来实现对赝电容QDs的双重保护。结果发现，该赝电容QDs电极组装的离子液体凝胶型柔性电容器表现出高的能量密度（77.12 mWh cm^-3），高功率密度（6000 mW cm^-3），以及优越的倍率和循环性能。本研究工作对于赝电容QDs的开发，对于高性能离子液体基储能器件的发展提供了一定的思路。

文献链接

Porous g‐C₃N₄ and MXene Dual‐Confined FeOOH Quantum Dots for Superior Energy Storage in an Ionic Liquid (Adv. Sci. 2019 DOI: 10.1002/advs.201901975)

本文由luna编译供稿。

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