致谢指南针 ‖ 在V2O5纳米线上串接金属有机骨架衍生的空心Co3S4纳米多面体，用于高性能超级电容器
在V2O5纳米线上串接金属有机骨架衍生的空心Co3S4纳米多面体，用于高性能超级电容器
Xue Zhigao、陶凯等人
（宁波大学）
DOI：10.1016/j.apsusc.2022.154076
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超级电容器（SCs）由于其高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命，已成为电化学存储可再生能源的理想候选者。
因此，它们适用于便携式电子设备和备用/辅助电源等应用。然而，与可充电电池相比，SCs较低的能量密度阻碍了其应用。
陶课题组使用一维V2O5纳米线作为柔性骨架，将MOF衍生的空心Co3S4三维纳米多面体串起来，以构建坚固的核壳1D@3D V2O5@Co3S4纳米复合材料，其制备过程如图1所示。
一维V2O5纳米线在Co3S4纳米多面体之间提供有效的电子传输。Co3S4的中空/多孔结构不仅提供了大量的电活性位点，而且缩短了电荷传输路径。
有了这些优势，最佳的V2O5@Co3S4-5h在三电极系统中，与对照V2O5或Co3S4-5h相比，显示出增强的电化学性能。
此外，非对称超级电容器由V2O5@Co3S4-5h表现出高能量密度（800 W/kg时为40.7 Wh/kg），具有出色的循环耐久性，10000次循环后保持85.9%的初始电容。本研究为开发优异的1D@3D超级电容器和电催化的纳米结。
图1 复合材料制备示意图。
作者对制备得到的电极材料进行结构分析，如图2所示。从图可知明作者成功制备了V2O5@Co3S4的复合材料（V2O5@Co3S4-5h）。
图2（a）X射线衍射图V2O5@Co3S4-5h和Co3S4-5h。XPS光谱V2O5@Co3S4-5h，Co3S4-5h和V2O5纳米线：（b）全谱，（c）V 2p，（d）Co 2p，（e）S 2p和（f）O 1s。
进一步通过TEM对其结构进行分析，如图3所示。从图可以直观的看出，Co3S4包裹在了V2O5纳米线上，其中V2O5纳米线的直径为190 nm。
图3V2O5@Co3S4-5h的结构表征：（a-c）TEM图像，（d）HTEM图像，（e）SAED模式，（g）STEM和（h）元素映射，用于模型的V、Co、O和S。
作者对制备得到的电极材料进行储能性能测试，如图4所示。在所有电极材料中V2O5@Co3S4-5h显示CV曲线的最大积分面积，表明其电容最高。其显示出显著的氧化还原峰，暗示存在氧化还原反应。
随着扫描速率的增加，CV曲线仍然可以保持不变，这意味着电化学过程是高度可逆的。其比容量明显优于其他电极材料。同时表现出较小的阻抗值和超长的循环稳定性，在7000次循环后，其容量可保持在75.1%。
图4（a）不同催化剂的CV曲线（b）V2O5@Co3S4-5h在不同扫速下的CV曲线。（c）V2O5@Co3S4-5h的GCD曲线，（d）比容量。（e）交流阻抗，（f）循环性能。
作者对V2O5@Co3S4-5h在储能过程中的行为进行分析，如图5所示。从图可知，在整个过程是由扩散和电容共同作用的结果，其中随着扫速的增加，其电容占比也逐渐增加。
图5电荷储存机理分析V2O5@Co3S4-5h：（a）CV曲线，（b）对数（i）与对数（ν）的曲线图，（c）5 mV/s时电容和扩散控制过程的贡献，以及（d）不同扫描速率下电容和扩散控制过程的分数。
非对称超级电容器由V2O5@Co3S4-5h表现出高能量密度（800 W/kg时为40.7 Wh/kg），具有出色的循环耐久性，10000次循环后保持85.9%的初始电容。
图6（a）V2O5@Co3S4-5h和AC三电极系统中的CV曲线。电池的储能性能V2O5@Co3S4-5h//AC：（b）设备演示，（c）50 mV/s下不同工作电压下的CV曲线。（c）1 A/g下各种工作电压下的GCD曲线，（d）5-100 mV/s下的CV曲线，（e）1-10 A/g下的GCD曲线，（f）1-20 A/g下的比电容，（g）Ragone图，以及（h）10 A/g下循环期间的电容保持率和库仑效率。
作者构建了一维V2O5纳米线作为柔性骨架，将MOF衍生的空心Co3S4三维纳米多面体串起来，以构建坚固的核壳1D@3D V2O5@Co3S4纳米复合材料。
利用三维空心/多孔Co3S4纳米多面体、一维V2O5纳米线和核壳结构的优点，优化了V2O5@Co3S4-5h在三电极系统中表现出高比电容（1 A/g时为1493.6 F/g）和优越的速率能力（20 A/g时为57.9%）。
此外，组装的两个电极V2O5@Co3S4-5h//AC ASC电池在功率密度为800 W/kg时可提供40.7 Wh/kg的高能量密度，具有出色的电化学稳定性，在10000次循环后保持85.9%的初始电容，在此期间库仑效率为95.2%。
该策略在设计用于电化学能量转换和存储设备的先进电极材料方面具有很大的潜力。
陶凯，男，教授，硕士生导师。2012年3月毕业于日本富山大学，获工学博士学位，同年加入中科院宁波材料所，2015年11月加入宁波大学。已发表论文30多篇。研究领域：能源材料化学，膜分离，多孔催化材料等。
研究项目：主持国家自然科学基金等项目
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