石河子大学JEC：氧缺陷富集的镍钴基纳米花阴极材料及在超级电容器和锌离子电池上的应用研究

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引言

镍钴基金属氧化物，作为典型的赝电容电极材料，因其具有高的理论比电容、丰富的电子结构，易氧化态，环境友好型等优点是非对称超级电容器等能源存储器件潜在的候选电极材料之一。然而，由于其电导率较低，实际的比电容仍远低于理论比电容。因此，改善镍钴基金属氧化物电极材料的电化学性能仍极具挑战。

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成果展示

近日，石河子大学的清洁能源转化与储存研究课题组与兰州大学彭尚龙教授合作，通过构建氧空位缺陷，来调节镍钴基氧化物(NiCo₂O₄，CoNiO₂)的晶体和电子结构，并通过实验和密度泛函理论(DFT)计算，系统地研究了氧空位对电化学储能的影响机理。该策略不仅可以为电极材料氧化还原反应暴露出更多的反应活性位点，增强其反应动力学和氧化还原活性，还能够极大地提高载流子浓度，加速电子转移，促进导电性，有效地改善了其在能源存储系统的电化学性能。

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图文导读

图1. NiCo₂O₄ (NCO-Air)与CoNiO₂ (NCO-Ar)的SEM，TEM，HRTEM，mapping图。

图片来源：Journal of Energy Chemistry

图2. NiCo₂O₄ (NCO-Air)与CoNiO₂ (NCO-Ar)的XRD, XPS, ESR, 氮气吸附-脱附等温曲线图。

图片来源：Journal of Energy Chemistry

图3. NiCo₂O₄ (NCO-Air)与CoNiO₂ (NCO-Ar)的电化学性能图。

图片来源：Journal of Energy Chemistry

图4. DFT理论计算。

图片来源：Journal of Energy Chemistry

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小结

通过在不同气氛下（空气或氩气）煅烧前驱体的策略，NiCo₂O₄ (NCO-Air)与CoNiO₂ (NCO-Ar)成功在泡沫镍基底上生长，并呈现出3D的纳米花形态。这种3D花状结构不仅有助于提供一个开放的框架和快速的离子扩散，还可以暴露出更多的活性位点，增强电荷存储性能。相比于在空气中煅烧得到的结晶性良好的NiCo₂O₄，在氩气中煅烧得的CoNiO₂表现出更丰富的缺陷结构以及更大的比表面积，这进一步利于CoNiO₂电极暴露出更多的活性位点并且增强电解质离子的快速扩散和反应。电化学测试分析与DFT理论计算相结合，进一步证明了这种缺陷丰富的CoNiO₂电极具有明显增强的电容性能。

这一成果近期发表在Journal of Energy Chemistry 上，石河子大学硕士生叶嘉惠与翟兴吾为文章的共同第一作者，通讯作者为石河子大学陈龙副教授，彭尚龙教授和郭旭虹教授。

文章信息

Oxygen vacancies enriched nickel cobalt based nanoflower cathodes: Mechanism and application of the enhanced energy storage

Jiahui Ye, Xingwu Zhai, Long Chen, Wen Guo, Tiantian Gu, Yulin Shi, Juan Hou, Fei Han, Yi Liu, Changchun Fan, Gang Wang, Shanglong Peng, Xuhong Guo

DOI: 10.1016/j.jechem.2021.03.030

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