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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 扫码阅读全文:
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