四川大学袁绍军教授课题组《ACS AMI》：单步燃烧实现超亲水高容量超级电容器

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由碳材料和金属氧化物组成的纳米复合材料通常是电化学储能的首选阳极。通过将具有赝电容行为的金属氧化物纳米化，并与先进的碳材料结合能够增强体系电子/离子的传输能力以及活性材料利用率。然而，这样的复合材料往往需要复杂且耗时的技术手段，不利于大规模生产制备。

近日，四川大学化学工程学院袁绍军课题组通过简单快速的燃烧策略制备了一种具有有效润湿性和柔韧性的超小氧化铁/碳纳米管复合电极（FeO-CNT）。这种燃烧策略具有简单、低成本和通用的特点。与传统的气相沉积相比，该方法制备出的氧化铁颗粒能够均匀的镶嵌在碳纳米管表面，并且燃烧所引入的大量含量基团又可以进一步促进电极的表面润湿性。作者发现，FeO-CNT纳米结构的构建明显依赖于燃烧反应的时间，进而影响表面亲水性和离子转移动力学。由FeO-CNT-20和MnO₂电极组成的ASC的最大工作电压为2.0 V，在0.5 mW cm^-2下能够提供0.11 mWh cm^-2的面积能量密度。在14.3 mW cm^-3下，柔性固态ASC的体积能量密度达到0.99 mWh cm^-3。

这项工作不仅使人们能够快速制备出具有吸引力的电极，而且也为合理设计和大规模制造用于电化学储能的Fe₂O₃基纳米复合材料开辟了新途径。该工作以“Single-Step Preparation of Ultrasmall Iron Oxide-Embedded Carbon Nanotubes on Carbon Cloth with Excellent Superhydrophilicity and Enhanced Supercapacitor Performance”为题目发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。四川大学化学工程学院博士研究生王缘为第一作者。

图1 （a）在CC上合成FeO-CNT的过程示意图；（b）–（f）各燃烧阶段的SEM图；（g）对应的XRD谱图；（h）–（j）FeO-CNT-20的XPS谱图

图2 （a）–（c）FeO-CNT-20的SEM图；（d）–（g）SEM和对应的元素分布；（h）（i）TEM图

图3 （a）–（f）三电极体系下电化学测试；（g）电阻测试；（h）接触角测试；（i）Randles-Sevcik图；（j）在不同的扫描速率下电容和扩散控制的贡献

图4 水系FeO−CNT-20//MnO₂ ASC和固态FeO−CNT-20//MnO₂ ASC性能测试

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c15337

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