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图1 柔性钠离子电容器正负极材料制备以及器件的设计路线
(A) 在碳布基底上由Co/ZnMOFs Array转化为介孔氮掺杂的碳纳米片阵列 (mp-CNSs);
(B) 活性物质VO2或NVP均匀吸附沉积在mp-CNSs的介孔中,成为负极和正极;
(C)柔性钠离子电容器器件示意图。
图2 由MOF是薄片阵列转化而来的多空碳纳米片(mp-CNSs)
(A) 阵列的扫面电镜图;
(B) 单个片的透射电镜图,显示除掉金属颗粒后产生的小空洞;
(C)高倍率透射电镜图,显示石墨化结构。
图3. 负极材料VO2@mp-CNSs/CFC的表征(A-E)和电化学性能(F-I)
VO2是一种典型赝电容材料,既可做正极也可做负极。如果只是颗粒,循环稳定性差得不忍直视。但是当他们均匀沉积在导电碳纳米片表面,高倍率性能和循环稳定性都大大提高。
图4 正极材料NVP@mp-CNSs/CFC的表征(A-D) 和电化学性能(E-H)
NVP晶粒和多孔碳融为一体,并且外面有一层薄薄的碳包裹。CV和充放电曲线都清楚表明这是典型的电池行为(嵌入式),而且在高达200C情况下还有较明显平台。如此的高倍率性能得益结构的优化-纳米颗粒均匀紧密的贴附在导电碳片表面,极有利于电荷的传导收集。
图5以VO2@mp-CNSs和NVP@mp-CNSs为正负极所制备的柔性准固态钠离子电容器
(A)全电池示意图;
(B)隔膜电镜照片;
(C-G)全电池电化学性能。
Co/Zn MOFs阵列的制备:将2 mmol 硝酸钴和1 mmol 硝酸锌溶解在100毫升水中,作为溶液A,另将20 mmol 甲基咪唑溶解在100毫升水中,作为溶液B;将溶液A快速倒入溶液B中,同时将等离子体处理过的碳布放入上述混合溶液中,常温静置2小时后,取出碳布,冲洗干净。
介孔碳阵列/碳布的制备:将上述合成的Co/Zn MOFs/碳布在氩气氛围下950 oC退火,降至室温后,将退火样品于100 oC浸泡在硝酸中24小时,取出碳布,冲洗干净。
正负极材料的制备:
负极:将1.5 mmol V2O5和5 mmol H2C2O4加热(75 oC)溶解在10毫升水中,然后再添加 2 mL 30% H2O2 和20 mL酒精,随后将介孔碳阵列/碳布置于上述溶液中24小时,取出后冷冻干燥,并在450 oC & Ar + H2 (5%)条件下退火2小时。
正极:将5 mmol V2O5, 2 mL 30%H2O2 , 15 mmol Na2CO3和15 mmol NH4H2PO4溶解在20毫升水中,随后将介孔碳阵列/碳布置于上述溶液中24小时,取出后冷冻干燥,并在850 oC& Ar + H2 (5%)条件下退火6小时。
【参考文献】
1) Huanwen Wang, Changrong Zhu, Dongliang Chao, Qingyu Yan*, Hong Jin Fan*, Non-Aqueous Hybrid Lithium and SodiumIon Capacitors, Advanced Materials, DOI:10.1002/adma.201702093.
2) Dongming Xu, Dongliang Chao, Huanwen Wang*, Yansheng Gong, RuiWang, Beibei He, Xianluo Hu*, Hong Jin Fan*, Flexible Quasi-Solid-State Sodium-Ion Capacitors Developed Using Two-Dimensional Metal-Organic-Framework Array as Reactor, Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/AENM.201702769.
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