研究背景：

超级电容器是重要的新型储能装置。与二次电池相比，它具有充放电速度快、循环寿命长和使用温度范围宽等优点，但是超级电容器目前在电容、电压窗口大小等方面仍存在较多问题。鉴于此，加拿大麦克马斯特大学Igor Zhitomirsky教授利用Fe3O4修饰碳纳米管，制备高面积容量超级电容器。

相关研究以“High areal capacitance of Fe3O4‐decorated carbonnanotubes for supercapacitor electrodes”为题，发表在《Carbon Energy》（DOI:10.1002/cey2.6）上。

研究内容：

文章首先将碳纳米管酸处理，然后通过超声辅助化学沉淀法将Fe3O4修饰在碳纳米管上，得到磁性-碳纳米管复合物（M-CNTs）。图1 A是该复合物的扫描透射电子显微镜图像，结果表明CNTs被纳米颗粒修饰，X射线能谱线扫描结果证实颗粒中含有Fe（图1B）。

图1. （A）扫描透射电子显微镜照片；（B）X射线能谱线扫描。

通过液-液界面颗粒萃取法（PELLI）来减少M-CNTs的团聚，萃取效率接近100%。结果表明，相比于传统的干燥再分散法，PELLI法处理的M-CNTs具有更多的优势。如图2所示，使用PELLI制备的CNTs电极具有更大的CV面积，并且使用PELLI制备的M-CNTs电极的电容与MnO2电极的电容相当，这有利于非对称器件的制备。

图2. （A，B）传统方法和（C，D）PELLI法处理的M-CNTs电极CVs扫描结果，扫描率分别为：（a）2；（b）5；（c） 10 mV s-1。注：（a，c）γ= 0.40；（b，d）γ= 1.0。γ = Fe3O4:CNTs质量比。

电极的电容通常随扫描频率的增加而减小，特别是在高活性物质存在的情况下，这与电解液在电极材料孔隙中的扩散限制有关。对于没有通过PELLI处理的电极，浸渍存在一定的困难。在这种情况下，材料堆积在离集电极表面很近的地方，堵塞了电解液的通道。经过PELLI处理后，Fe3O4和CNTs有良好的接触，因此其实部阻抗相对较低(图3)。与传统方法制备的电极相比，使用PELLI制备的电极的实部阻抗较低。

图3. M- CNTs电极的EIS图：（A、B、C）没有PELLI法处理；(D、E、F) 用PELLI法处理。注：（a） γ = 0.40；（b）γ = 1.00.  

文章还研究了不同Fe3O4和CNTs质量的影响，如图4，发现在比例γ=1时，电容高达5.8 F cm-2.

图4. Cs和Cm与扫描速率的关系图，（A）没有使用PELLI法处理, （B）使用PELLI。（a） γ= 1.0，（b）γ= 0.70，（c）γ= 0.55，    （d）γ= 0.40，（e）γ= 0.25。

计时电位测量结果分析显示：在不同电流密度下，放电曲线呈近乎理想的对称三角形(图5A)。在放电电流为3 mA cm-2的情况下得到5.2 F cm-2的电容，但是在没有PELLI法处理的情况下制备的电极电容明显较低（图5B）。并且，M-CNTs负极具有很好的循环稳定性，循环3000圈后，电容仍然保留87%，库伦效率100%。

图5. （A） M-CNTs电极的充放电曲线（γ= 1.0）：（a，b）没有PELLI法处理和（c，d）使用PELLI法处理；电流密度分别为20（a，c）和3 mA-2（b，d）。 (B) Cs和Cm 与电流密度图：（a）没有使用PELLI法处理；（b）使用PELLI法处理。

文章链接：

High areal capacitance of Fe3O4‐decorated carbonnanotubes for supercapacitor electrodes

Mohamed Nawwar, Ryan Poon, Ri Chen, Rakesh P. Sahu, Ishwar K. Puri, Igor Zhitomirsky

DOI:10.1002/cey2.6

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.6

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