季振源副教授、沈小平教授Small：基于还原氧化石墨烯负载氧化铁纳米片的高性能混合超级电容器电极材料的合理设计

文章信息

基于还原氧化石墨烯负载氧化铁纳米片的高性能混合超级电容器电极材料的合理设计

第一作者：季振源

通讯作者：季振源*，沈小平*

单位：江苏大学，江苏科技大学

研究背景

作为一种高效的储能器件，混合超级电容器受到了相当大的关注。在混合超级电容器设计和构建中亟需性能优异且耐用的正负极电极材料。铁基材料凭借其宽电位窗口，卓越的理论比电容，以及制备流程简易等优点在储能领域得到了广泛的关注与研究。然而，铁基材料的电化学性能仍然受到电导性不佳和循环能力差的限制，这严重制约了它们作为混合超级电容器电极材料的实际应用。合理地设计具有高活性、高比表面积、多组份复合的纳米结构铁基电极可以缩短离子的输运距离，提供更为丰富的电化学活性位点，从而有效提高其电化学性能。

文章简介

近日，来自江苏大学的季振源副教授、沈小平教授在国际知名期刊Small上发表题为“Rational design of high-performance electrodes based on ferric oxide nanosheets deposited on reduced graphene oxide for advanced hybrid supercapacitors”的文章。

该文章通过巧妙的系统性合成方法同时制备出混合超级电容器的铁基正负极材料。首先，采用简易的溶剂热—煅烧途径，成功地在rGO片层上生长了表面磷酸根官能化的Fe₂O₃（P-Fe₂O₃）二维纳米片。rGO的负载及磷化处理可进一步调控Fe₂O₃二维纳米片的电化学活性。与此同时，以Fe₂O₃/rGO为前驱体，将部分Fe₂O₃转化为FeMoO₄获得了具有优异电化学容量的FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO三元复合正极材料。由FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO正极和P-Fe₂O₃/rGO负极组装的混合超级电容器拥有优异的能量密度以及稳定的循环寿命。

图1. P-Fe₂O₃/rGO和FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO二维纳米复合材料的合成路线图

本文要点

要点一：P-Fe₂O₃/rGO负极材料的制备及储能性质

首先，对二乙基二硫代氨基甲酸铁（Fe(DDTC)₃）与GO的乙二醇分散液进行溶剂热反应，得到了Fe₂O₃/rGO前驱体。将前驱体在氩气和空气气氛中煅烧得到了rGO负载的Fe₂O₃纳米片复合材料。随后，采用次亚磷酸钠在300 ℃下热分解法获得了磷酸根官能化的P-Fe₂O₃/rGO负极材料。rGO与磷酸根双功能化的Fe₂O₃纳米片具有优异的电化学性能，在1 A g^-1时比电容达到586.6 F g^-1，在15 A g^-1的大电流密度下持续循环10000次，仍拥有96.0 %的电容保持率。

图2.（a）Fe₂O₃/rGO-2和 P-Fe₂O₃/rGO-2的XRD图；（b）P-Fe₂O₃/rGO-2的拉曼散射光谱；纳米片的（c）C 1s、（d）Fe 2p、（e）O 1s和（f）P 2p光谱

图3.（a）Fe₂O₃，（b）Fe₂O₃/rGO-2和（c，d）P-Fe₂O₃/rGO-2的SEM图片；P-Fe₂O₃/rGO-2的（e）TEM，（f）HRTEM以及（g-k）元素映射分析

图4.（a）50 mV s^-1扫速下的CV曲线；（b）1 A g^-1电流密度下的GCD曲线；P-Fe₂O₃/rGO-2的（c）CV与（d）GCD曲线；（e）不同电极的比电容变化；（f）P-Fe₂O₃/rGO-2在0.2到1.0 mV s^-1的CV曲线；(g) 在1.0 mV s^-1下的电容贡献；(h) 在0.2到1.0 mV s^-1下的电容贡献率；（i）P-Fe₂O₃/rGO-2在15 A g^-1下的循环寿命

要点二：FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO正极材料的制备及储能性质

将Fe₂O₃/rGO与磷钼酸铵在乙二醇溶液中混合，通过溶剂热—煅烧反应将部分Fe₂O₃转化为FeMoO₄，形成FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO复合正极材料。作为无机酸阴离子，钼酸根离子可以作为空间支柱，建立开放的离子通道，并提供丰富的氧化还原反应，从而赋予FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO良好的电化学特征。比容量在1 A g^-1时达到475.4 C g^-1，且具有高的循环稳定性，在15 A g^-1下10000次循环后容量保持率为90.8%。

图5.（a）复合材料的XRD谱图；FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO-2的（b）XPS全谱，（c）C 1s，（d）Fe 2p，（e）Mo 3d以及（f）O 1s曲线

图6. FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO-2的（a-c）SEM，（d，e）TEM，（f）HRTEM以及（g-k）元素映射图

图7.（a）50 mV s^-1时的CV曲线；（b）1 A g^-1时的GCD曲线；FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO-2的（c）CV和（d）GCD曲线；（e）电极的比容量变化；（f）FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO-2峰值电流与扫描速度对数的关系图；（g）1.0 mV s^-1时的电容贡献；（h）电容贡献率；（i）在15 A g^-1下10000圈的循环寿命

要点三：FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO//P-Fe₂O₃/ rGO混合超级电容器的储能特性

由P-Fe₂O₃/rGO和FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO组装的混合超级电容器储能装置拥有82.0 Wh kg^-1的最大能量密度以及21164.3 W kg^-1的最大功率密度，20000圈循环后的电容保持率达到95.0 %。通过两个器件的串联成功点亮了红色LED灯，并保持清晰亮度长达30 min。该混合超级电容器优异的电化学特性验证了rGO负载的磷酸根修饰Fe₂O₃及FeMoO₄功能纳米材料的可观应用前景。

图8.（a）FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO-2//P-Fe₂O₃/rGO-2的CV曲线；（b）FeMoO₄/Fe₂O₃/rGO-2//P-Fe₂O₃/rGO-2在1 A g^-1下不同电压窗口的GCD曲线；（c）1-20 A g^-1下的GCD曲线；器件的（d）比电容值和（e）Ragone曲线；（f）10 A g^-1下的循环稳定性；（g-i）器件点亮红色 LED灯的照片

文章链接

Rational design of high-performance electrodes based on ferric oxide nanosheets deposited on reduced graphene oxide for advanced hybrid supercapacitors

https://doi.org/10.1002/smll.202306236

通讯作者简介

季振源 副教授简介：江苏大学化学化工学院副教授。长期致力于功能导向微纳米材料的结构设计及其在能源存储与转换（超级电容器）中的应用研究。以第一作者及通讯作者身份在国际SCI期刊发表学术论文30余篇，两篇论文入选ESI高被引论文，获授权国家发明专利5项，相关研究工作被国际纳米网站nanotechweb.org跟踪报道。

沈小平 教授简介：江苏大学化学化工学院教授，博导。长期从事先进能源和环境材料的研究工作，主要研究各种无机材料、MOFs材料、新型碳材料及其复合物的控制合成，以及它们在可充电电池、超级电容器、电催化、光催化等方面的应用。已在国际SCI期刊发表学术论文290余篇，论文被引用12000余次，十多篇论文入选ESI高被引论文，获授权国家发明专利20余项。