上海大学甄强教授课题组CEJ：V2O5@RuO2核壳结构异质结纳米阵列作为超级电容器的电极材料

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当前，为了应对能源危机和环境污染的挑战，高性能储能设备开始被广泛研究。赝电容器通过表面和近表面氧化还原反应进行电荷存储，具有更高的能量密度，为超级电容器带来了新的发展，极大的拓宽了超级电容器的应用领域。然而，为满足人们对超级电容器的更高需求，仍需在保证其较大功率密度的情况下进一步提升能量密度。
近日，上海大学理学院纳米科学与技术研究中心甄强教授课题组在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了题为“V₂O₅@ RuO₂ core-shell heterojunction nano-arrays as electrode material for supercapacitors”的研究论文(DOI: 10.1016/j.cej.2022.136922)。该研究通过水热法在n型半导体V₂O₅纳米带（VNBs）表面复合p型半导体RuO₂纳米片（RNSs）用作超电容电极材料（图1）。SEM（图2）、EDS（图3）、XRD（图3）、XPS（图4）和TEM（图5）的结果表明，所制备得到的分级结构是V₂O₅@ RuO₂核壳结构异质结纳米阵列。V₂O₅纳米带是直接生长在泡沫镍上的具有层状结构的大单晶，RuO₂纳米片是均匀地覆盖在V₂O₅纳米带上的具有管道结构的多晶。RuO₂纳米片的引入可以大大增加活性材料的比表面积。图6给出了RuO₂纳米片在V₂O₅纳米带阵列上生长过程。 
图1 VNBs@RNSs核壳结构异质结纳米阵列电极材料的制备过程示意图。


图2 VNBs和VNBs@RNSs核壳结构异质结纳米阵列电极材料在不同倍数下的SEM图片，（a-c）VNBs；(d-f) VNBs@RNSs。 
图3 (a) VNBs和(b) VNBs@RNSs复合异质结电极材料的EDS图谱，(c)VNBs和(d)VNBs@RNSs复合异质结电极材料的XRD图谱。

图4 VNBs@RNSs复合异质结电极材料的XPS图像，（a）全谱；（b）V 2p谱；（c）Ru 3p谱；（d）O 1s谱。 
图5 VNBs和VNBs@RNSs复合异质结电极材料的TEM图像：（a-c）VNBs；（d-f）VNBs@RNSs。

图6 不同水热反应时间下RNSs在VNBs表面的生长过程：（a）0 h；（b）1 h；（c）3 h；（d）6 h；（e）12 h；（f）24 h。 为了评估VNBs和VNBs@RNSs复合异质结电极材料的电化学性能，通过三电极测试系统进行测量（图7）。三电极体系下，VNBs@RNSs电极的电化学性能较VNBs有较大提升，扫速为5 mV·s⁻¹时具有高比电容（971.0 F·g^-1），10000次充放电循环后电容保持率为80.4%，电荷转移电阻为1.8 Ω，Li⁺扩散系数为1.0×10⁻⁸ cm²·s⁻¹，VNBs@RNSs表现出的优异电化学性能表明RuO₂纳米片的复合能增大比表面积并提高电极材料的导电性，增强p-n型异质结结构和“互穿隧道”结构的作用。

图7 三电极体系下VNBs 和 VNBs@RNSs 的电化学性能。 为了进一步探究电极材料作为超级电容器电极时的实际应用情况，分别将VNBs@RNSs复合异质结电极材料作为正极和负极，在两电极体系下通过循环伏安法和恒电流充放电法测试对称超级电容器的电化学性能（图8）。两电极体系测试时，VNBs@RNSs // VNBs@RNSs的电压窗口为1.8 V，在低功率密度450 W·kg⁻¹和高功率密度9000 W·kg⁻¹时的能量密度为174.2和95.9 W·h·kg⁻¹，其能量密度高于大部分钒基和钌基超级电容器，VNBs@RNSs因其优异的电化学性能可以作为一种极具潜力的钒基超级电容器电极材料。 
图8 两电极体系下VNBs和VNBs@RNSs 组装的对称超级电容器的电化学性能。 小结：VNBs@RNSs复合异质结电极材料具有较高的比电容值，优异的循环稳定性，较小的电荷转移阻力，快速的有效扩散效率，较高的能量和功率密度，可以成为一种优秀的超电容电极材料。优秀的超级电容行为归功于VNBs和RNSs的合作作用，它们可以提供快速的电子转移率、Li⁺离子迁移率和足够的Li⁺离子存储空间。 文章第一作者是上海大学2019级硕士研究生生王敬，通讯作者为上海大学郑锋副研究员和甄强教授，这项工作得到了上海扬帆计划（No.19YF1415800）、国家自然科学基金（No.52002237，51872184）、上海市科技计划项目（NO.20010500200）和上海市先进陶瓷结构设计与精密制造技术服务中心（NO.20DZ2294000）的支持。 原文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136922

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