香港城市大学张开黎等:仿生纳米结构超级电容器电极材料的研究进展

当今世界的许多革命性发现都是受到了大自然的启发。在材料科学领域,自然事物和生物材料的高度有序、多样化和独特的结构吸引了研究人员通过材料化学手段在纳米材料中复制和模仿。从自然界中汲取灵感,设计具有合适取向、高度有序的结构和优异的机械稳定性,同时又能获得较高能量和功率密度的纳米材料,一直是电极材料的研究热点。许多以自然为灵感的产品也已商业化。例如,受植物光合作用的启发,人工光合作用已被陆续用于收集太阳能,生物启发的水净化系统,受蜘蛛制丝过程启发的蛋白质生产等。此外,人们还探索了以自然为灵感的材料设计,以生产可再生资源,实现可持续、低成本的电极材料开发。

尖端储能设备的大力开发推动了当今电子产业的发展,超级电容器(SCs)作为电化学储能器件之一,近年来备受关注。得益于其增强的电荷存储机制、改进的循环稳定性、高速率电荷移动能力和更高的功率密度,超级电容器在满足未来电子器件的需求方面潜力巨大。其中,电极材料的多孔性允许电解质离子的快速运输;大的比表面积可缓解长循环所产生的应力;在不同的形貌结构中,分层形貌由于其增强的表面积、低密度、可控、相互连接的结构和增大的可到达区域,更有利于储能应用。例如,具有仿生结构的碳材料显示出高的表面积和良好的孔隙率。得益于其特殊的仿生纳米结构,一些金属氧化物/混合金属氧化物也表现出了优异的电化学特性。二维和三维互联网络结构,赋予电极材料高的表面积、高孔隙率和丰富的表面纹理,并最终表现出高容量和突出的整体材料稳定性。

Animal‑and Human‑Inspired Nanostructures as Supercapacitor Electrode Materials: A ReviewIftikhar Hussain, Charmaine Lamiel, Sumanta Sahoo, Muhammad Sufyan Javed,
Muhammad Ahmad, Xi Chen, Shuai Gu, Ning Qin, Mohammed A. Assiri, Kaili ZhangNano-Micro Letters (2022)14: 199
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00944-z

本文亮点

1. 对各种仿生以及仿人体纳米结构作为超级电容电极材料的相关研究做了系统的总结

2. 总结了超级电容器电化学结构的形成和应用

3. 提出了仿生以及仿人体纳米结构作为超级电容电极材料的未来发展方向,如规模化生产和其它性能的改进。

内容简介

人类文明的发展不断受到大自然的启发。从鸟类到飞机和子弹头列车,大自然为我们提供了许多新的视角,促进了微纳米结构的发展。仿生结构被认为是电极材料中可广泛应用的一种有利结构,特别是在储能应用中。香港城市大学张开黎课题组在这篇综述中讨论了影响仿生纳米结构形成的不同因素和特定条件,全面评估和整理了各种仿生纳米结构用于超级电容器的最新研究进展,并对其未来发展进行了展望。

图文导读

I 仿生纳米结构分类

根据仿生(自然)纳米结构(蜂巢、蜘蛛网、刺猬、胡须、毛毛虫和蠕虫、鸟巢和羽毛)和仿人体的纳米结构(脊柱、手指、DNA和树突)对各类仿生纳米结构进行分类(图1)。

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图1. 纳米仿生结构示意图。

II 仿生结构: 合成、结构组成和电化学系统的应用

0D、1D、2D和3D结构的形成属于结构的维度增长范畴,在晶体的形成机理及其形态中被广泛研究。Tiwari等将不同的纳米结构材料分类为零维,如均匀粒子阵列(量子点)、异质粒子阵列、核壳量子点、洋葱/空心球体和纳米透镜;一维,如纳米线、纳米棒、纳米管和纳米带;二维,如结(连续岛)、分支结构、纳米膜、纳米板、纳米片、纳米壁和纳米盘;三维,如纳米球(树枝状结构)、纳米线圈、纳米锥、纳米柱和纳米花。研究者们合成了类似树木、蜂巢、花朵、海胆等的一维、二维和三维纳米结构的重叠和组合,并可作为SCs的有效电极材料。选择不同前驱体和合成方法,活性电极材料结构可拥有更大的表面积 (表1)。在本节中,我们讨论了最近报道的仿生纳米结构的合成方法及电化学性能。本节根据动物仿生的纳米结构(蜂巢,鸟巢,蜘蛛网,刺猬,胡须,毛毛虫和蠕虫,羽毛样)和人体仿生的纳米结构(脊柱,手指,DNA,和树突样)分为2组。

表1 各种动物和人类结构的碳比表面积

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2.1 动物仿生结构

2.1.1 蜂巢状结构

具有垂直薄壁的仿生蜂窝状结构SCs,力学性能优异,具有均匀且形状规则的孔隙,有着特殊的活性位点。除了SCs之外,仿生蜂窝状结构在生物医学领域也应用广泛,如组织工程和再生医学。

Lv等人报道了新型蜂窝灯笼启发的3D柔性可拉伸SCs。蜂巢状结构特有的结构柔韧性和可拉伸性,提供了高机械强度(图2a)。该结构是基于可膨胀复合电极合成的,电极由聚吡咯/黑磷氧化物电沉积在碳纳米管(CNT)薄膜上。与2D结构相比,3D蜂巢灯笼结构电极表现出了更强的可拉伸性,这对可穿戴设备很有用。更重要的是,该设备可以减轻来自不同方向的压力。3D SC在2000%的可逆应变下,即使经过10000次拉伸和释放循环,也能保持95%的电容。Sun等人以金属-有机框架(MOFs)作为模板,制备了蜂窝状金属硫化物作为SC电极。在不同的电极材料中,MOF衍生的500°C的蜂窝状金属硫化物(Co₉S₈@C‐500)表现出优越的性能,这是由于多孔碳薄纳米片活性位点的增强(图2b),抑制了金属硫化物的团聚,碳纳米片提高了电极材料的导电性。Co₉S₈@C‐500可循环4000次,证实了其优异的机械性能。Peng等人比较了制备SC电极材料的动态水解和静态沉积方法,即氧化钌空心球(静态沉积)和蜂窝状纳米结构(动态水解)。氧化钌蜂窝样(RHCs)电极比氧化钌空心球(RHSs)样(226 m⁻2 g⁻1)结构表现出更大的表面积(图2c-d)。此外,在相同的循环次数下,蜂窝状电极的循环稳定性提高了5%。Wu等人从氢氧化钾处理过的小麦粉获得3D蜂巢状多孔碳(HPC)泡沫纳米结构。互连的HPC(图2e)电极材料表现出高表面积,并用作对称超级电容(SSC)器件。如图2f所示,与已报道的碳基SSC器件相比,SSC器件表现出更优越的能量和功率密度。表2展示了已报道的蜂窝状结构。

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图2. (a)各种形状的3D可拉伸超级电容器;(b) Co₉S₈@C‐500的合成示意图;(c) RuO·xH₂O的吸附(闭合符号)、解吸(开放符号)图,插图为解吸相对应的BJH孔径分布曲线;(e)HPC的SEM图像;(f)HPC对称超级电容的能量比较。

2.1.2 蜘蛛网状结构

蜘蛛网由丝制成,以其非凡的柔韧性及耐水性而闻名。受此启发,邓等人制备了具有卓越传质能力的特殊设计结构的储能装置。图3a是以沸石亚胺酸盐骨架(ZIF)为前驱体制备具有仿生表面的3D碳网络(3DCN)的原理图。碳表面上的ZIF-8多面体相互连接,形成蛛网状网络结构。在800°C氩气中处理2 h后退火,用HCl洗去ZIF-8,保留带有“蜘蛛网”状碳S-3DCN的三维碳网后获得了理想的结构。三种样品的详细传质能力如图3b所示。其中,s -3DCN在8 s完全吸附水滴,具有最好的输质能力,优于3DCN (14 s)和s – c (> 14 s)。进一步制备了固态SSC器件(S-3DCN//S-3DCN),表现出更多的活性位点、更多的气孔、更优异的电解质润湿性。所设计的SSC器件成功照亮了如图3c所示的19个led。

Mandan等人利用简易原位水热技术为SSC器件设计了无粘结剂的钒氧化物蜘蛛网状纳米结构。图4a-b显示了蛛网状结构的合成原理图和扫描电子显微镜(SEM)图像。该SSC装置在10万次循环后表现出了97%的稳定性(图4c)。即使在10万次循环之后,蜘蛛网仿生纳米结构被很好的保留(图4c)。

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图3. (a)合成工艺示意图;(b)由三个串联的超级电容供电的S-3DCN、3DCN和S-C、(c) LED灯器件的水滴实验结果。

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图4. (a) V₃O₇蜘蛛状纳米线原位生长示意图;(b)V₃O₇/ CFC衬底扫描电镜图像;(c) V₃O₇/ CFC SSCs器件在恒定电流密度为10 Ag⁻1下循环100000次的稳定性。

2.1.3 刺猬结构

刺猬的刺由中空的毛组成。这些毛被称为刺,可以在肌肉控制下卷曲或拉直。受刺的卷曲和松弛以及刺猬的外部结构的启发,Sun等人报道了用于柔性SC器件的刺猬仿生电极材料。图5a显示了NiCo₂O₄@NiᵪCoᵧMoO₄的制备过程,合成采用两步简便水热法。在第一步中,碳织物被用作电流收集器和衬底以生长NiCo₂O₄,制备出最大直径为150 nm的刺猬状纳米针(图5c-d)。第二步,NiᵪCoᵧMoO₄纳米片被包裹在初步制备的NiCo₂O₄纳米针簇上,形成NiCo₂O₄@ NiᵪCoᵧMoO₄核壳刺猬状纳米针簇纳米结构(图5ef)。图5b显示了利用刺猬状仿生结构进行电荷传输和应力释放的机制。这种在纳米针上生长的纳米片组合可有利于在活性材料之间提供足够的空间,从而提供更好的电解液渗透和丰富的电活性位点进行氧化还原反应。组装的全固态柔性电池型混合超级电容器(HSC) NiCo₂O₄@NiᵪCoᵧMoO₄// AC,展示了高比电容为207 F g⁻1 (1Ag⁻1),高能量密度(749.6 W kg⁻1时为64.7 Wh kg⁻1)和优异的循环稳定性(10000次循环后接近100%)。

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图5. (a) NiCo₂O₄@的示意图, NiᵪCoᵧMoO₄纳米结构(碳织物(黑色),NiCo₂O₄纳米针簇(粉红色)。NiCo₂O₄@NiᵪCoᵧMoO₄前驱体(绿色),NiCo₂O₄@NiᵪCoᵧMoO₄(灰色)); 这些刺猬状纳米针中的电荷传输和应力释放集群纳米结构; (c-f)SEM图像。

2.1.4 晶须状结构

Luo等人采用水热法,通过简单的原位氧化还原置换反应,在碳纤维纸(MOWAs)上合成了自组装晶须状MnO₂阵列(图6a)。不同量(3-15 mM)的高锰酸钾(KMnO₄)被用作生成不同形态MnO₂的前驱体。在7 mM KMnO₄处,可以持续观察到覆盖整个碳纤维的高度有序的晶须状MnO₂阵列(图6b)。在更高的放大倍率下(图6c),每个晶须由许多相互连接的超薄纳米片组成。单个MOWA如图6d所示,其长度为3-5 μm,中间截面直径约为0.5 μm。当KMnO₄的浓度改变为3 mM时呈现出清晰的碳纤维/MnO₂核壳纳米结构(MOCSs);当浓度为15 mM时,呈现出棱角模糊的碳纤维/MnO₂核壳纳米结构(I-MOCSs)。图6e是碳纤维纸(CFP)、MOWAs以及另外两种制备的结构MOCSs和I-MOCs的循环伏安(CV)曲线的对比。在所有电极中,MOWAs表现出最大的CV曲线。MOWAs电极的比电容在100mA g⁻1 时为274.1 F g⁻1,在经历5000次循环(100 mA g⁻1)后仍然能保持稳定。MOWAs的结构是由直接附着在CFP上的MnO₂薄片组成,它提供了分离良好的导电薄片,可更好的供离子插入和传输。研究者还报道了其他晶须状结构电极,如在碳纳米纤维(CNF)上的聚苯胺(CNF)、用聚苯胺(PANI)晶须组装的线状Ni-Co二元氢氧根复合材料和聚苯胺(PANI)晶须。

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图6. (a) 形成过程示意图,(b-d) MOWAs的SEM图像和不同电极材料在50 mV s⁻1下的CV曲线。

2.1.5 毛虫和蠕虫状结构

毛虫和蠕虫都是冷血动物,通常都有长长的管状身体。然而,蠕虫的身体结构光滑,没有腿、眼睛和毛发。相比之下,毛毛虫的身体是分节的,看起来粗糙多毛。在纳米结构方面,猫耳状和蠕虫状结构已经在SC领域应用。纳米纤维(NF)上的毛虫状NiCo2S4纳米晶阵列和具有核壳结构的聚苯胺/碳纳米管杂化物被成功合成为电极材料。图7a是NiCo2S4 nanosheet@nanowires (NSNW)的扫描电镜图像,显示出毛虫状结构。图7 b显示了纳米线的透射电子显微镜(TEM)图像,其尺寸为底芯~ 50 nm和尖端~ 30 nm。除了毛虫状NiCo2S4 NSNW结构外,通过改变反应时间,还制备了其他结构。密封的高压釜在95°C下保持12、10和8小时,分别生成Ni-Co前驱体NSNWs、Ni-Co前驱体NSNP和Ni-Co前驱体NS。放电曲线如图7c所示。NiCo2S4 nanosheet@nanowires (NSNW, S1)、NiCo2S4纳米片@纳米颗粒(NSNP, S2)和NiCo2S4多孔纳米片(NS, S3)的比电容分别为1777、1238和1010 F g⁻1,电流密度为1 A g⁻1。与S2(66%)和S3(73%)相比,毛虫状结构电极在3000次循环(10 Ag⁻1)后的保留率为83%(图7d)。

已报道的在N掺杂石墨化多孔碳、介孔碳、电纺CNF上同轴修饰的NiMoO₄、在纺织品上生长的非晶MnO₂纳米线、沉积在NF上的Ni-Co-P和N/S共掺杂多孔碳均显示蠕虫状结构。图8a为石墨化多孔碳浮雕(NWHC-GE)掺氮虫状分级多孔碳的SEM图像。前体FSH的添加量显著影响形貌,如蠕虫状结构(0.01 mol FSH),N掺杂空心碳球(NHCS,不添加FSH)和N掺杂空心碳胶囊(NHCC,0.02 mol FSH)。图8b显示了电流密度为20 Ag⁻1时NHCS、NWHC-GE和NHCC的GCD对比曲线。与NHCS (114 F g⁻1)和NHCC (156 F g⁻1)相比,NWHCGE在1A g⁻1时的比电容达到178 F g⁻1。在导电性方面,NWHC-GE的电阻率(0.39 Ω)也低于NHCS (0.57 Ω)和NHCC (1.58 Ω)(图8c)。这种性能的提高归功于NWHC-GE更高的石墨化程度和优化后的氮掺杂含量。

类似地,Gopalakrishnan等人报道了从生姜中衍生出来基于氮、硫共掺杂多孔碳的蠕虫状层次结构。用NaCl/KCl预活化生姜,然后碳化(800°C),并用稀释的HCl洗涤去除盐离子(产物记为AGC)。为了将AGC与氮和硫掺杂在一起,硫脲作为前驱体进行另一次碳化(800°C)(产物称为DAGC)。掺杂活性姜碳(DAGC)的最终结构如图8d所示,DAGC具有独特的蠕虫状孔隙结构和相互连通的空腔。该虫状结构不仅获得了较高的比表面积(720 m2g⁻1),而且提高了电化学性能。图8e为DAGC、AGC(活化姜源碳)和GC(无活化掺杂的姜源碳)的GCD对比曲线。显然,DAGC具有较长的充放电曲线,具有较好的离子存储性能和较高的电容性能。与GC (75 F g⁻1)和AGC (172 F g⁻1)相比,DAGC (268 F g⁻1)在1Ag⁻1条件下的性能最高。在恒定电流密度下比较了GC和DAGC的稳定性(图8f)。DAGC具有蠕虫状孔结构和杂原子掺杂的薄碳纳米片形貌,具有快速的离子转移和最大的电荷存储容量,具有良好的电化学性能。

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图7.  (a) NiCo2S4/ NF的扫描电镜图像;(b) NiCo2S4 NSNWs纳米线TEM图像;(c) 在1A g⁻1处GCD曲线,(d)在10A g⁻1处稳定性。

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图8.  热处理前NWHC-GE的SEM图像;(b)不同电极在20Ag⁻1处的GCD曲线和(c) Nyquist图的比较;(d) DAGC片材的SEM图像;(e) 1A g⁻1处GCD曲线的比较;(f)不同电极的稳定性试验。

2.1.6 羽状结构

羽状结构类似于鸟类的羽毛,由细小的毛发状丝组成。Jinlong等人最初将氧化石墨烯(GO)片浸入氧化石墨烯分散体,热还原退火后沉积在NF上。然后在NF预沉积的GO上采用水热法生长Ni₃S₂,如图9a所示。图9b显示了在2 mV s⁻1的扫描速率下,在NF和rGO上羽状结构的CV曲线,Ni₃S₂在含还原氧化石墨烯的NF电极上观察到更大的非矩形CV曲线。该羽状结构电极的电容高达1462 F g⁻1 (1 Ag⁻1),在前1000个循环中保持了98.34%的电容。Ni₃S₂在含还原氧化石墨烯的NF上表现出较好的SC性能和较好的循环稳定性,在储能应用中具有重要价值。

2.1.7 巢状结构

在电极材料中,巢状结构被研究和构建,如N和P共掺杂的介孔碳,葡萄糖衍生的氮掺杂空心碳,Fe掺杂MnO₂,聚苯胺和V₃O₇。图10显示了基于Ni@Ni1.4Co1.6S2、MnO₂和V₃O₇的巢状结构。Mi等人最初合成了具有巢状结构的Ni@Ni₃S₂。以Ni@Ni₃S₂为模板,通过协同转换法合成了Ni@ Ni1.4Co1.6S2。Ni@ Ni1.4Co1.6S2是由纳米线网络组成的,形成了许多微/纳米孔,模拟巢穴(图10a)。由于结构相似,但加入了Co离子,Ni@ Ni1.4Co1.6S2的比电容为122 F g⁻1,而Ni@ Ni1.4Co1.6S2在1A g⁻1时的比电容为89 F g⁻1。图10b显示了基于MnO₂的鸟巢状结构。自组织结构形成直径约4 ~ 5 μm的纳米线簇(图10c)。在这种组织结构下,当电流密度为5 mA cm⁻2时,得到的最大比电容为917 F g⁻1。

另一种类似巢穴的结构是基于蚁丘。蚁丘通常建在地下,内部是由内部通道和腔室组成的巨大网络结构。受这种独特的相互连接结构的启发,基于蚁巢的纳米结构被用作电极材料。NiMoO₄通过溶剂热反应在CMS海绵上生长,同时保持CMS海绵的连通通道。优化后的NiMoO₄/ CMS电极具有1689 F g⁻1 (1 Ag⁻1)的高比电容。Miao等人研究的碳基蚁巢状结构是使用NF支持的分层多孔碳(NF- HPC)制备的。三维交联和相关的骨架(直径≈200纳米)有助于形成高度均匀和相互连接良好的多孔结构(图11b)。作为一种对称SC器件,该器件优异的电化学性能导致了较高的比电容(在0.25 Ag⁻1时为292)和长期循环稳定性(在3万次循环后在5 A g⁻1时为100%)。最后,一种独特的三维蚁巢状分层多孔碳(ANHPC)如图11c所示。ANHPC的蚁巢状结构具有较大的表面积(2372 m2g⁻1)和较高的孔隙体积(1.936 m3 g⁻1)。然后利用该结构嵌入MnO₂,获得MnO₂/ ANHPC复合材料(图11d)。可以清楚地观察到,碳骨架结构没有坍塌,并保留了ANHPC的结构,为离子的快速转移/扩散提供了良好的结构。与ANHPC在254 F g⁻1时相比,基于EDLC的ANHPC和基于伪电容的MnO₂的组合在1Ag⁻1时产生了662 F g⁻1的高比电容,电化学性能如表2所示。

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图9.  在NF和Ni₃S₂上,(a)SEM图像的羽状结构和(b)CV曲线的羽状结构与rGO的比较。

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图10.  (a)鸟巢样的SEM图像Ni@Ni1.4Co1.6S2,  (b-c)基于MnO₂的巢状结构的b-c SEM图像。

表2. 三电极测量仿生结构的比较。

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2.2 仿人体结构

2.2.1 脊柱状结构

Park等人制备了由石墨烯连接的刺状纳米结构碳,步骤包括:1)化学气相沉积法(CVD)制备血小板型CNF (P-CNF), 2)氧化处理膨胀法,3)共溶剂剥离法和还原法。图12(a-b)显示了刺状纳米结构碳的扫描电镜和透射电镜图像,显示由规律性的脱落石墨块和石墨烯纳米片组成。在三电极体系中,与制备的P-CNF (19 F g⁻1)相比,刺状纳米结构碳表现出显著的电化学性能(272 F g⁻1, 10 mV s⁻1)(图12c)。为了进一步应用,双电极系统为刺状纳米结构碳提供了高电容(在2.5 Ag⁻1时238.8 F g⁻1)、速率能力(在200 mV s⁻1时230 F g⁻1,在10 mV s⁻1时超过初始值的85%)和循环稳定性(在3000次循环后94%)(图12d)。

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图11.  (a)巢的NiMoO₄/ CMS扫描电镜图像,嵌入蚁巢;(b)碳基蚁巢样结构的SEM图像;(c)蚁巢样ANHPC的SEM图像和(d) MnO₂/ ANHPC的SEM图像。

2.2.2 指状结构

指状结构是多功能集成微纳系统电极材料的有效设计。平面指状结构有利于微超级电容器,当活性电极的边缘暴露在电解液中时,它提供了合适的离子传输途径。此外,手指状设计消除了传统的SCs夹层结构中所需的分离器,这也降低了电阻,并导致高频响应,因为电极手指阵列之间的距离很小。Wang等制备了垂直指状非对称超级电容器(VFASCs),其中rGO -二氧化锰-聚吡咯(rGOMnO₂- PPy)为正极,rGO -三氧化钼(rGO-MoO3)为负极。采用模拟2到10个指状电极的结构研究了各种质量负载(图13a)。CV(图13b)和GCD(图13c)曲线显示,10个手指状电极(5m₀)的性能最高。比电容随着质量负载的增加而增加(图13d), 5m₀记录的最高电容为31.4 F g⁻1 (34.8 F cm⁻3)。5m₀电极显示出12.94 mW h cm⁻3的高能量密度(功率密度为0.47 W cm⁻3),仍然保持在2.59 mW h cm⁻3的高值(功率密度为3.72 W cm⁻3),在10,000次循环后保留了88.2%的电容(图13e-f)。为了实际应用,进行了弯曲实验,以显示电极的柔韧性,如图13g所示。此外,串联的两个电极积累3.2 V成功地点亮了两个led(图13h)。

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图12. (a-b)刺状纳米结构碳的SEM和TEM图像,制备的P-CNF和刺状纳米结构碳的速率性能,扫描速率为100 mV s⁻1时刺状纳米结构碳的循环稳定性。

2.2 DNA状结构

另一种受自然启发的纳米结构是双螺旋DNA样WO₃ – x/C超纤维上层结构。Salkar等人制备了一种由WO₃ – x/C纳米棒封装的原位碳纤维自组装,如图14a所示。该双螺旋DNA启发组件提供了有利的结构,允许离子更好地参与电化学反应。图14b显示了在−0.5 ~ 0.3 V电位范围内,不同扫描速率(25 ~ 250 mV s⁻1)下的CV曲线。在25mv s⁻1时,比电容为169.2 F g⁻1。利用GCD曲线,在1.2 A g⁻1处,最高的比电容记录在498.4 F g⁻1处(相当于在2mA cm⁻2处,面积电容为401.4 mF cm⁻2)(图14c)。在能量密度为15.4 Wh kg⁻1的情况下,组装了功率密度为498 W kg⁻1的固态非对称超级电容器(ASC)器件。罕见的DNA样形态证明了其在电极纳米结构发展中不寻常但重要的结构。

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图13.  VFASCs的电化学性能和应用。(a)原理图,(b)在扫描速率为20 mV s⁻1时的CV曲线,(c) GCD曲线,(d) VFASCs在不同质量载荷下的体积电容和重量电容;(e)质量载荷为5m₀时VFASCs的能量和功率密度图和(f)循环寿命;(g)指状ASCs在直、弯状态下的CV曲线;(h)串联连接的单个和两个手指状超级电容器的GCD曲线。插图显示两个照明LED灯由两个VFASCs系列供电。

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图14.  (a)描述DNA样双螺旋三足超纤维上层结构的扫描电镜图像以及用于比较的插图中所示的代表性DNA图像;(b )DNA样双螺旋WO₃ x/ c微纤维在不同电流密度下的扫描速率依赖性CV曲线和(c)GCD曲线。

2.2.4 树突状结构

树突是神经细胞的尖头延伸,类似于树状结构。枝晶的形成也被观察到矿物晶体的生长,以及雪花和霜冻图案的形成。这些独特的结构在Au枝晶生长过程中被观察到,其中Au枝晶含有长背骨茎和多个分支和高度波纹结构,Co₃O₄纳米结构由纳米棒组成,以及生长在碳布上的枝晶状MnO₂纳米结构。图15显示了在Sun等制备的空心Ni枝晶上生长的MnO₂纳米线的合成过程。首先,采用电沉积法在Ni衬底上制备Cu枝晶(图15a, e-g)。然后用电镀的方法将形成的Cu枝晶涂上一层薄薄的Ni (Cu@Ni)(图15b)。然后,Cu通过阳极溶解选择性地从Cu@Ni中去除,形成中空Ni(图15c, h-j)。最后,通过阳极脉冲电化学沉积在空心Ni表面生长MnO₂纳米线,制备Ni@MnO₂(图15d, k-m)。当用作电极时,在MnO₂质量负载为0.35 mg cm⁻2时,Ni@ MnO₂电极的比电容为1125 F g⁻1 (5 mV s⁻1)。当MnO₂的质量负载增加到1.8 mg cm⁻2时,其比电容为303 F g⁻1 (5 mV s⁻1)。Ni@MnO₂电极优异的电化学性能可归因于以下纳米结构:(1)高导电性的空心Ni枝晶既作为载体又作为电流收集器,为快速电子传输提供了途径;(2)二氧化锰纳米线阵列允许生产材料的利用;(3)在整体结构中分层多孔通道的存在有利于电极和电解质之间的快速扩散。仿生结构的详细电化学性能如表3所示。

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图15.  (a)空心Ni枝晶支撑MnO₂纳米线的合成;Cu枝晶纳米森林的电沉积研究,  (b)铜枝晶上Ni的电镀;(c)铜的选择性溶解;(d)在空心Ni枝晶上电沉积MnO₂纳米线,形成分层Ni@ MnO₂多孔结构;(e-g) Cu枝晶、(h-j) Ni空心枝晶和(k-m) Ni@MnO₂结构的SEM和TEM图像。

表3 三电极测量中仿生结构的比较

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III 展望与结论

这篇综述强调了仿生材料在纳米级SC应用中的重要性。不同维度的材料可以通过不同工艺来制造、定制和开发,以构建相互连接和分层的仿生纳米结构,作为电极材料具有很高的价值。高孔隙率的自然材料是可行的储能应用材料,然而这类材料也存在一些不足之处,可作为今后的研究方向。

1. 大规模生产这种以自然为灵感且具有成本效益的材料是相当复杂的。例如,金属前体表现出相当优异的电化学性质。若商业规模生产金属基电极材料,必须考虑这些贵金属的长期可用性以及成本。此外,这种材料的大规模下的精确生产也极具挑战性。在这方面,3D打印技术具有复制自然结构的能力。打印出的产品还具有很高的柔韧性,可用于制造柔性和可拉伸的超级电容器。

2.结构和形态外的其他因素,如电极材料的性质,电解质的选择、粘结剂的使用,也对电极材料的电化学性能起着重要作用。EDLC型和赝电容型材料与仿生结构相结合,可提高电容性能。

3.深入探究仿生材料的电荷存储机制。原位TEM、原位XRD、原位拉曼光谱、原位XPS等原位表征技术可以成为材料表征中的关键手段。

4.仿生材料的电化学性能可通过操纵单个组分的界面相互作用来调节。然而相关的理论机制有待研究。

5.可进一步探究基于二维材料(如MXene)的仿生结构材料。

6.EDLC,赝电容和电池型电极材料的差异研究;对称、不对称和混合SC器件的探究;如前面所讨论的,应选择合适的势/电压窗口以及计算能量密度的方程。

作者简介

19.png张开黎
本文通讯作者
香港城市大学 教授
主要研究领域
能源材料,锂离子电池,超级电容器。
主要研究成果
香港城市大学机械工程学院教授,2006年于新加坡国立大学博士毕业,之后到法国以及瑞士进行博士后工作;2009年来到香港城市大学机械学院任职助理研究员,2015年升任副教授,2020年升任教授。在材料科学国际知名期刊Advanced Materials,Advanced Energy Materials,ACS applied materials/interface,Journal of Materials Chemistry A,Chemical Engineering Journal, Journal of Power Sources,Electrochimica Acta,Nano Energy等发表多篇论文。
Email:kaizhang@cityu.edu.hk
Tel:(+852) 3442-7845
撰稿:《纳微快报(英文)》编辑部
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

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20.jpgNano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2021JCR影响因子为 23.655,学科排名Q1区前5%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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