类外延生长异质结:提升超电能量密度

NiSe2 /Ni(OH)2  Heterojunction Composite through Epitaxial‑like Strategy as High‑Rate Battery‑Type Electrode Material

Hao Mei, Zhaodi Huang, Ben Xu*, Zhenyu Xiao, Yingjie Mei, Haobing Zhang, ShiyuZhang, Dacheng Li, Wenpei Kang, Dao Feng Sun*
Nano-Micro Lett.(2020)12:61
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0392-8
本文亮点

1 NiSe2‑(100)/Ni(OH)2‑(110)异质结改善了材料的导电性,增加了界面电荷输运能力;
2 NiSe2/Ni(OH)2复合材料为正极,PPD-Rgo为负极构建了非对称超级电容器,具有76.1Wh/kg的能量密度与8000次的循环稳定性。
研究背景

超级电容器是一种新型的电化学储能设备,具有安全性高、循环寿命长、功率密度大、成本低等优点,因此受到人们的青睐。然而,超级电容器较低的能量密度限制了其实际的商业应用。因而,高性能电极材料的研究就成为了关键。我们利在液相条件下,构筑了类外延生长的硒化镍/氢氧化镍异质结,为高性能电池型电极材料研发提供了思路。

内容简介

构建异质结是提升电极材料电化学性能的有效策略。中国石油大学孙道峰教授团队以八面体硒化镍纳米晶为前驱体,利用类外延生长方法衍生得到了硒化镍/氢氧化镍异质结材料。

这种复合材料具有以下优点:(1)复合材料中的异质结能够明显改善其导电性与电子输运能力;(2)增大的比表面积与孔隙率能够有益于电解质离子的扩散与传输;(3)硒化镍的八面体结构使材料具有良好的电化学稳定性,氢氧化镍纳米片使材料具有较高的电容。

因此,硒化镍/氢氧化镍异质结材料展现出了高比电容(1 A/g下909 C/g)和良好的循环稳定性(循环5000次以后保持85%初始容量)。当以硒化镍/氢氧化镍复合材料作为正极,对苯二胺修饰的还原氧化石墨烯作负极时,组装的非对称超级电容器在906 W/Kg的功率密度下,具有76.1 Wh/Kg的能量密度,并表现出了超过8000次的循环使用寿命。

图文导读

I 电极材料的形貌表征

采用镍源与硒源为原料,通过水热法合成了八面体NiSe2纳米晶;随后在过氧化氢与氢氧化钾的溶液中浸泡即可得到NiSe2/Ni(OH)2异质结材料。如图1b-e,NiSe2与NiSe2/Ni(OH)2-2h的SEM与TEM图,可以明显的观察到,NiSe2八面体表面覆盖了Ni(OH)2纳米片。元素分布图显示Ni、O、Se元素均匀分布。
图1.(a)合成流程图;(b-c)NiSe2八面体的SEM与TEM;(d-e)NiSe2/Ni(OH)2-2h的SEM与TEM;(f1-f4)不同反应时间下的TEM;(g1-g4)NiSe2/Ni(OH)2-2h的EDS mapping。

II NiSe2‑(100)/Ni(OH)2‑(110)异质结构分析

如图2所示,通过HR-TEM图像,观察到了NiSe2/Ni(OH)2异质结处的微观结构。有趣的是,Ni(OH)2不是简单附着在NiSe2表面,而是表现类似外延生长的形式,形成了NiSe2/Ni(OH)2异质结。从图中可观察到NiSe2的(200)晶面间距为0.298 nm,Ni(OH)2的(110)晶面间距为0.157 nm,2倍Ni(OH)(100)间距与NiSe2的(200)间距匹配,促进了(110)晶面的外延生长。基于此,建立了NiSe2/Ni(OH)2异质结构模型,计算了异质结处Ni、O、Se的PDOS。计算结果表明,NiSe2/Ni(OH)2的异质结构改善了导电性,增强了界面电荷输运能力。

图2.(a-b)NiSe2‑(100)/Ni(OH)2‑(110)异质结处HRTEM;(b)建立用于计算的NiSe2/Ni(OH)2模型;(d-e)晶面间距的测量;(f-g)O与Ni的PDOS。
III 电极材料的结构表征分析

如图所示,通过XRD、XPS、EDX、N2吸附-脱附对材料进行了结构表征。XRD谱图证明了NiSe2/Ni(OH)2复合材料的成功制备,可以明显看出Ni(OH)2 (110)晶面的优先生长,与TEM结论匹配;XPS谱图观察到了Ni-Se键到Ni-O键的转换与Se 3d的逐渐消失;EDX谱图表面复合材料中Ni、O、Se的含量分别为33.89%、19.40%、46.71%;N2吸附-脱附曲线表明了NiSe2/Ni(OH)2复合材料具有高的比表面积和孔隙率。

图3.(a)XRD谱图;(b-c)Ni2p与Se 3d的XPS谱图;(d)EDX;(e)氮气吸附-脱附曲线;(f)孔径结构分布曲线。

IV 三电极体系下电化学性能测试

NiSe2/Ni(OH)2显示出了优异的电化学性能,其比容量达到909 C/g (1 A/g)。特别是其倍率性能,20 A/g时仍然有597 C/g。其优异性能主要源于以下几点:(1)Ni(OH)2的孔道结构利于电解质离子的快速迁移;(2)NiSe2八面体的良好导电性促进了电子传输,其机械强度赋予了材料良好的循环稳定性;(3)NiSe2/Ni(OH)2的异质结提供了高电化学活性的Ni(OH)2与高导电性的NiSe2间的快速电子传输通道。

图4.(a)CV曲线;(b)GCD曲线;(d)EDX;(c)不同电流密度下电容;(d)循环稳定性测试;(e)I-V测试曲线;(f)EIS曲线。

V 组装的NiSe2/Ni(OH)2‑2h//PPD‑rGO超级电容器

以将 NiSe2/Ni(OH)2-2h为正极,PPD-rGO 负极,组装了非对称超级电容器。在906 W/Kg的功率密度下,具有76.1 Wh/Kg的高能量密度,并且,在循环充放电8000次以后,其仍然能保持82%的初始容量。除此以外,组装的非对称超级电容器可以电量LED小灯或驱动两个小风扇,表明其实用性。

图5.(a)组装的非对称电容器;(b)CV曲线;(c)GCD曲线;(d)不同电流密度下电容与库伦效率;(e)Ragone图;(f)循环稳定性测试。

作者简介

徐奔

本文通讯作者

中国石油大学(华东) 讲师

主要研究领域

功能多孔材料的制备及在电化学储能方面的应用,主要包括过渡金属基电池型电极、柔性自支撑电极、非对称电容器等。

主要研究成果

近三年在Angew.Chem. Int. Ed., ACSnano, Small, ACS Appl. Mater & Interface, Nanoscale等高影响力杂志发表文章10余篇。主持或参与国家自然科学基金或省部级项目3项。

孙道峰

本文通讯作者

中国石油大学(华东) 教授

主要研究领域

1. 晶态多孔材料设计合成及结构调控;2. 高选择性气体吸附剂和分离膜;3. 能源转化与存储材料。

主要研究成果

主持国家自然科学基金及省部级项目十余项,迄今在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、Chem. Sci.等国际知名期刊上发表SCI论文80余篇,连续四年(2015-2018)入选爱思唯尔中国高被引学者榜单,入选教育部新世纪优秀人才支持计划,山东省“泰山学者”特聘教授,青岛市青年科技奖,山东省青年科技奖,山东省高等学校优秀成果一等奖。

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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