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中山大学严凯教授课题组：镍铁水滑石纳米片的绿色制备及其超级电容性能研究

已有 3877 次阅读 2022-3-21 15:48 |系统分类:科研笔记

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导读

超级电容器是一种绿色高效的储能器件，绿色制备电容性能优异的电极材料成为领域发展的必然趋势。镍基水滑石（LDHs）纳米片具有尺寸小、比表面积大和活性位点暴露程度高等优点，是一种极具发展前景的新型电极材料。传统镍基LDHs纳米片制备需要使用强极性的有机溶剂，如甲酰胺、DMF，不仅剥离效率低，而且会对环境造成污染。因此，迫切需要一种符合绿色化工要求的高比容量长循环性镍基 LDHs 纳米片的制备方法。

近日，中山大学环境科学与工程学院严凯教授课题组采用超声/机械搅拌一步法在室温下绿色制备NiFe-LDHs纳米片用作超级电容器的电极材料，表现出优异的超级电容性能。

图文解读

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图1. NiFe-LDHs的绿色制备示意图。

该研究工作首先将装有一定比例氯化镍和氯化铁混合溶液的反应器置于超声波仪中，然后在超声辐射和机械搅拌的作用下，将沉淀剂（氢氧化钠和碳酸钠的混合溶液）缓慢滴入上述金属盐混合溶液，溶液到达目标 pH 值后离心干燥得到NiFe-LDHs电极材料（图1）。

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图2. 不同超声时间制备的NiFe-LDHs的 (a) XRD谱与 (b) 晶格常数分析图。

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图3. 超声时间为 (a, b) 0 h; (c, d) 1 h; (e, f) 2 h; (g, h) 3 h制备的NiFe-LDHs 的AFM图。

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图4. 不同超声时间制备的NiFe-LDHs的 (a) 氮气吸脱附曲线与 (b) 孔径分布分析图。

该工作研究了超声时间（0 h, 1 h, 2 h, 3 h）对NiFe-LDHs结构形貌的影响。XRD结果（图2）表明，超声处理可以成功将体相NiFe-LDHs剥离成纳米片，同时NiFe-LDHs的层间距也会随着超声时间的增加而增大，有利于氧化还原过程中电解液离子的快速传输。AFM结果（图3）也证实了超声处理的剥离作用，超声处理2 h后NiFe-LDHs的片层厚度由61.34 nm减小至7.39 nm。由BET分析（图4）可知，NiFe-LDHs孔道结构主要由介孔组成。与体相NiFe-LDHs相比，NiFe-LDHs纳米片的比表面积和总孔容显著提高，经过2 h超声处理的NiFe-LDHs纳米片比表面积和总孔容分别达到77.16 m² g^-1和0.080 cm³ g^-1。

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图5. 不同超声时间下的NiFe-LDHs的超级电容性能图。(a, b) 循环伏安曲线; (c) 充放电曲线; (d) 倍率性能曲线; (e) 电化学阻抗谱; (f) 循环性能曲线。

由超级电容性能测试结果（图5）可知，经过2 h超声处理的NiFe-LDHs纳米片可以在3 A g^-1比电流下展示1923 F g^-1的超高比电容，同时在10 A g^-1比电流下循环1000次后实现98%的电容保持率。相较于其他超声处理时间，超声处理2 h制备的NiFe-LDHs纳米片超级电容性能最优，这主要归功于其理想的片层厚度、较大的比表面积和较高的介孔体积。综上所述，该工作为高电容性能镍基LDHs的绿色构筑提供了实验基础和理论指导。

文章信息

本文以“Green fabrication of nickel-iron layered double hydroxides nanosheets efficient for the enhanced capacitive performance”为题发表在Green Energy & Environment期刊，该文第一作者为王宇辰博士，通讯作者为严凯教授。

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