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【图解文章】超级电容器的新材料——锑烯

【图解文章】超级电容器的新材料——锑烯

近期,英国曼切斯特城市大学的Craig E. Banks教授、西班牙马德里自治大学的Félix Zamora教授(共同通讯)在Advanced Energy Materials上发表文章,该项工作在追求更高的能量密度的同时不影响超级电容器的功率密度,工作选用一种先进的二维纳米材料——锑烯作为电极材料,用于最大限度地提高超级电容器性能,这也是首次报道锑烯应用于超级电容器的电极材料,并且在循环伏安和恒流充放电测试中均显示出优异的储能性能。

【 锑烯简介 】

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【 锑烯片层制备 】

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【 锑烯片层形貌表征 】 

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图一 (A) 薄锑烯片层的TEM图;

(B) 同一片层的放大后的原子分辨图。

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图二 (A-C) 36ng锑烯/SPE样品的不同放大倍数SEM图;

(D) 纯SPE样品的SEM图。

通过液相剥离法分离得到的纳米片总体的横向尺寸在1–3µm2范围内,高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)的测量进一步证实了少层锑烯很好地剥离并且具有一定的结晶度。锑烯片层的SEM图像与纯裸露SPE的SEM图像相比清楚地显示出少量锑在其表面的沉积。图中可观察得到,锑烯形成了横向尺寸在200-400 nm左右,这与文献中报道的典型的锑烯形态相一致。

【 锑烯片层组成分析 】

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图三 锑烯片层EDX图谱分析

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图四 锑烯片层拉曼分析

(A,B)纯裸露SPE和修饰过后不同含量锑烯/SPE样品的Raman图谱。

拉曼光谱证实了在改性SPE表面上存在锑烯,图谱中除了与碳结合形成拉曼响应光谱外,还检测到基于SPE的两个拉曼光谱带,分别在150cm-1处和110cm−1处与锑(Sb)的A1g振动和Eg振动相对应。当较高含量的锑烯滴落在SPE表面上时,这些拉曼光谱带的峰强度增加,表明在相同的时间内锑烯的沉积量较高,甚至这些纳米结构的厚度也会增加。这一事实可能与电化学测试结果中观察到的电容值的减小有关,当较高含量的锑烯在SPE上滴落时更高的纳米结构材料会沉积的基底表面或者少层锑烯片层会出现堆积情况,因此会导致二维材料的电活性表面较小。

【 锑烯片层电化学性能 】

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图五 纯裸露SPE和修饰过后不同含量锑烯/SPE样品在两电极系统下的循环伏安测试,电解质为0.5M H2SO4

(A) 扫速为10 mV/s;

(B) 扫速为100 mV/s;

(C) 扫速为500 mV/s;

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图六 纯裸露SPE和修饰过后不同含量锑烯/SPE样品在两电极系统下的循环伏安测试,电解质为0.5M H2SO4

(A)未修饰SPE和修饰过后SPE样品在0.5M H2SO4电解质中的充放电测试曲线;

(B)由充放电测试得到的电容值与电流的关系;

(C)由充放电测试得到的电容值与电流密度的关系;

(D)相比于第一圈电容值循环的电容保持率与循环圈数的关系。

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图七 Ragone图显示了本文锑烯/SPE的研究结果和一些2D纳米材料或修饰后2D纳米材料杂质期刊上获得的一些实际数据进行对比的结果示意图。黑色方格表示锑烯超级电容器, (1)石墨烯/胆酸钠复合电极; (2)还原氧化石墨烯纸电极; (3)2D纳米片d-MnO2/石墨烯电极;(4)还原氧化石墨烯-MnO2纳米复合材料电极; (5)氮褶皱型石墨烯片;(6)三维氮硼共掺杂石墨烯;[(7)富氮碳纳米片; (8)RuO2/石墨烯混合材料; (9)Ni(OH)2/氧化石墨烯复合材料; (10)NiCo2S4纳米片; (11)单层b-Co(OH)2; (12)2D Ti3C2纳米片。

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表1 通过循环伏安和恒电流充放电测试得到的质量电容

当少量的锑烯滴加包覆到SPE时可清楚地观察到电容电流的增加,且氧化还原过程中表观电位为0 V,这一现象归因于锑烯的氧化还原反应是一个法拉第过程,这也有助于电容的增加。在最优参数3.6 ng 锑烯/SPE样品的比电容为1578 F/g,电流密度为14 A/g,这个电容数值相比于其他2D材料有一定的有竞争力。可以看出(图5b),绝对电容值随锑烯在SPE表面沉积量的增加而增加,直到18 ng修饰的锑烯材料。从二维纳米材料的质量减少电容减少这一结果猜测可能是纳米材料凝结或堆叠的后果,可能在堆叠的过程中降低电活性表面积。对于超级电容器来说,循环稳定性也是一个非常重要的参数。因此,该工作就充放电稳定性进行了10000圈恒电流充放电循环,选用36 ng锑烯/ SPE样品,电流密度为14A/g。图中可以看到电容保持在初始降到65%之后,后面连续的循环电容保持率在整个初始电容的65%到63%之间,循环周期在800圈到10000圈。这一结果证明在初始循环稳定后,电容基本保持不变,前1000圈循环电容值的下降可以归因于一些滴落包覆锑烯在电极表面电荷循环过程中被释放。

【 结论 】

本工作第一次将锑烯做为超级电容器电极材料用于能源存储应用的材料中,并且幸运的是锑烯在循环伏安和恒电流充放电测试中对能量存储能力显示出明显地改善,表现出优异的性能,电流密度为A/g,最高放电电容为1578 F/g,锑烯也被证明是一种很有前途的储能材料。锑烯增强电极显示出明显的电容法拉第伏安响应,有力地了提高电极材料的电化学电容性能。锑烯含量低至1.8 ng的材料样品能显著提高电容性能,该系统也具有高度竞争性,其能量密度为20mWh/kg,功率密度为4.8kW/kg。此外,由于锑烯具有优异的电荷储存能力,也显示出良好的循环稳定性。

更多详细信息关注原文:

Antimonene: A Novel 2D Nanomaterial for Supercapacitor
Applications. (Adv. Energy Mater., 2017, DOI:10.1002/aenm.201702606

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201702606/full

供   稿丨深圳市清新电源研究院

部   门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨简奈

主    编丨张哲旭

本文由清新电源原创,作者清新电源媒体信息中心简奈供稿,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/2351.html

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