马来西亚国油科技大学《ACS AMI》：CoNi-Se/石墨烯复合材料，用于混合超级电容器

成果简介

要在储能设备中实现高能量密度和长周期稳定性，就必须具备出色的电化学性能，而这往往取决于所研究材料的创新结构设计。本文，马来西亚国油科技大学《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Interconnected CoNi-Se Hollow Flakes through Reduced Graphene Oxide Sheets as a Cathode Material for Hybrid Supercapacitors”的论文，研究探讨了过渡金属硒（TMSe）的潜力，众所周知，TMSe 在能量存储和转换应用中具有卓越的活性、电子导电性和稳定性。创新之处在于在还原氧化石墨烯（rGO）表面以三维（3D）形态（CoNi-Se/rGO）排列，构建二元金属硒（CoNi-Se）的中空结构。三维相互连接的 rGO 结构起着微流收集器的作用，而多孔 CoNi-Se 片则是活性氧化还原中心。

对基于 CoNi-Se/rGO 的电极进行的电化学分析表明，这种电极具有明显的法拉第行为，因此在电流密度为 1 Ag-1 时，比电容为 2957 F g-1（1478.5 C g-1），超过了纯CoNi-Se 的 2149 Fg-1（1074.5 C g-1）。这两种材料都表现出卓越的高速率能力，在 10 Ag-1电流密度下的电容保持率为 83%，而在 1 Ag-1 电流密度下的电容保持率为 83%。在双电极钮扣电池系统中，该器件在功率密度为 1500 Wkg-1时实现了 73 Whkg-1 的高能量密度，即使经过 20,000 次循环后，电容保持率仍高达 90.4%，令人印象深刻。这项研究表明，CoNi-Se/rGO 复合材料有望成为高性能储能应用领域的优质电极材料。

图文导读

方案 1.在硒粉存在下，CoNi-CP/GO前驱体形成及随后热转化为CoNi-Se/rGO复合材料的示意图

图1.（a） CoNi-CP、CoNi-Se和CoNi-Se/rGO的XRD图谱，（b）（Ni，Co）Se的晶体结构2（c）CoNi-CP/GO和CoNi-Se/rGO的拉曼光谱和（d）透射FTIR光谱。

图2.（a） Co 2p、（b） Ni 2p、（c） C 1s、（d） N 1s、（e） O 1s 和 （f） Se 3d 的 XPS 高分辨率光谱和 CoNi-Se/rGO 的峰拟合分析。

图3. (a) 所有样品在 1 mV^s-1下的 CV 曲线。(b) CoNi-Se/rGO 在不同扫描速率下的 CV 曲线。(c) 峰值电流密度与扫描速率的对数相关性。(d)_Qv与扫描速率-¹/2 的关系。(e)_Qv与扫描速率-1^/2 的倒数关系。(f) 样品的扩散和电容比贡献与总存储电荷百分比的关系。(g) CoNi-Se 和 (h) CoNi-Se/rGO 在 1 mV^s-1 时的扩散和电容贡献。

图4. (a) 所有样品的 GDC 曲线。(b) CoNi-Se/rGO 在不同电流密度下的 GDC 曲线。(c) 所有样品在不同电流密度下的比电容。(d) 所有样品的奈奎斯特图（插图显示高频区域）。(e) CoNi-Se 和 CoNi-Se/rGO 低频范围内Z′与 ω-0^.5的关系曲线。(f) 所有样品的 Bode 图。

图5. 扫描速率为 10 mV^s-1时 (a) rGO 和 CoNi-Se/rGO 电极的 CV 图，以及 (b) 不同扫描速率下 ASC 的 CV 图；(c) 不同电流密度下 ASC 的 GDC 图；(d) 显示 ASC 功率和能量密度与文献比较的 Ragone 图；(e) ASC 的 Nyquist 图（插图显示高频区域）；以及 (f) ASC 的寿命循环稳定性效率。

小结

研究成果证明了CoNi-Se/rGO复合材料作为新型储能电极材料的潜力。简而言之，通过以硒粉为硒源在氮气中进行受控退火，制备的三维 CoNi-CP/GO 结构前驱体被转化为具有多孔性质的可比 CoNi-Se/rGO 形态。与此同时，GO 被还原成含有氮原子的 rGO，作者认为这将大大有助于改善电化学性能，同时也会改善开放的微观结构。在CV和电静态充/放电中观察到的独特法拉第行为，在 1A^g-1 时比电容为 2957Fg-¹，超过了纯 CoNi-Se 材料。这些材料表现出卓越的高速性能，即使在 10 A^g-1 时也能保持 83% 的电容，因此非常适合快速充放电应用。将 CoNi-Se/rGO 组装在 ASC 中的结果令人印象深刻，在功率密度为 1500 W^kg-1时，能量密度高达 73 Wh^kg-1，而且在经受 20,000 次循环后，电容保持率高达 90.4%。这种混合结构增强了电化学性能，并使 CoNi-Se/rGO 复合材料成为高性能储能应用的理想候选材料，从而极大地推动了高效耐用储能设备的发展。

文献:https://doi.org/10.1021/acsami.3c17615