上海电力大学《ACS ANM》：封装在石墨烯中ZnSe–SnSe2微立方体，用于高性能非对称超级电容器

成果简介

高容量 SnSe2 阴极材料结合了转化反应和合金化反应的优点，在超级电容器中具有广阔的应用前景。然而，它们的循环性能较差，电子电导率较低。为了有效改善它们的电化学性能，本文，上海电力大学徐燕、朱燕艳教授团队在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Microcubes of ZnSe–SnSe2 Encapsulated within Graphene for High-Performance Asymmetric Supercapacitors”的论文，研究构建了双金属硒化物异质结构，并封装了三维石墨烯（3DG）碳层。三维石墨烯增加了材料的比表面积，稳定了内部结构，促进了反应动力学。

ZnSe-SnSe2 异质界面上明显的晶格畸变和错配产生了大量晶体缺陷和活性位点，用于吸附/解吸 OH- 离子，这有利于离子在循环过程中的插入和提取，并进一步增强了电极材料的电子导电性。得益于这两种策略，3DG/ZnSe-SnSe2 在1Ag-1下显示出1515.2Fg-1 的高比容量，并在5 Ag-1下循环3000次后保持 90.1% 的容量保持率。此外，与活性碳（AC）组装在一起的不对称超级电容器3DG/ZnSe-SnSe2//A表现出卓越的电化学性能，在 750W kg-1 的条件下，能量密度达到 25.3Wh kg-1，在5Ag-1 条件下循环 20,000 次后，容量保持率达到 91.3%。

图文导读

图1. 3DG/ZnSe-SnSe2 的制备过程示意图。

图2. (a, b) ZnSe-SnSe2 微立方体和 (c, d) 3DG/ZnSe-SnSe2 的扫描电镜图像。(e）3DG/ZnSe-SnSe2 的 TEM 图像；（f）3DG/ZnSe-SnSe2 的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；以及（g-k）3DG/ZnSe-SnSe2 的 TEM 元素图谱图像。

图3. (a) ZnSn(OH)6、(b) 3DG/ZnSe-SnSe2 和 ZnSe-SnSe2 的 XRD 图谱与标准卡的对比。(c) 3DG/ZnSe-SnSe2 和 ZnSe-SnSe2 的拉曼光谱。(d) 3DG/ZnSe-SnSe2 和 ZnSe-SnSe2 的 XPS 勘测光谱。3DG/ZnSe-SnSe2 (e) C 1s、(f) Zn 2p、(g) Sn 3d 和 (h) Se 3d 的高分辨率 XPS。

图4. (a) 不同扫描速率下 3DG/ZnSe-SnSe2 的 CV 曲线。(b) 50mV s-1时 3DG/ZnSe-SnSe2、ZnSe-SnSe2 和 SnSe2 电极的 CV 曲线。(c) 3DG/ZnSe-SnSe2 和 (d) ZnSe-SnSe2 在不同电流密度下的 GCD 曲线。(e) 2Ag-1时 3DG/ZnSe-SnSe2、ZnSe-SnSe2 和 SnSe2 电极的 GCD 曲线。(f) 不同电流密度下 3DG/ZnSe-SnSe2、ZnSe-SnSe2 和 SnSe2 的比电容比较。(g）ZnSe-SnSe2 和 3DG 不同比例的 3DG/ZnSe-SnSe2 的 GCD 曲线，以及（h）从GCD曲线中提取的 1 A g-1 电流密度下的比电容比较（插图显示了 3DG/ZnSe-SnSe2 水凝胶在 3D 自组装前后的物理图像）。

图5：（a）3DG/ZnSe-SnSe2、ZnSe-SnSe2 和 SnSe2 的电化学阻抗谱比较（插图为 3DG/ZnSe-SnSe2 、ZnSe-SnSe2 和 SnSe2 的等效电路图）。(b）3DG/ZnSe-SnSe2 在 5 A g-1 电流密度下循环 3000 次的库仑效率和比容量。(插图描述了前 5 个周期和后 5 个周期的充电/放电曲线）。(c）不同扫描速率下 3DG/ZnSe-SnSe2的氧化还原峰值电流计算b值。(d）扫描速率为100mV/s时 3DG/ZnSe-SnSe2 的CV曲线，其中阴影区域代表电容贡献。(e）不同扫描速率下电容控制和扩散控制的百分比。

图6. (a) 3DG/ZnSe-SnSe2//AC ASC器件的图示。(b) 100 mVs-1时 3DG/ZnSe-SnSe2和AC的CV曲线。(c) 不同电位下ASC器件的CV曲线和GCD曲线。(e）不同扫描速率下ASC的CV曲线。(f) ASC器件在不同电流密度下的 GCD 曲线。(g) 3DG/ZnSe-SnSe2//AC ASC 器件与其他已报道的硒化物器件的性能比较。(h) 电流密度为5Ag-1时，3DG/ZnSe-SnSe2 20,000 次循环的库仑效率和比容量（插图描述了前5次循环和后5次循环的充放电曲线）。

小结

综上所述，在共沉淀合成法的基础上，以 ZnSn(OH)6 为前驱体，一步硒化得到 ZnSe-SnSe2 复合材料，然后用3DG将其封装，用作超级电容器的阴极材料。定义明确的3DG/ZnSe-SnSe2电极具有多个优点：其内部中空结构可在充放电过程中适应体积膨胀，异质结构协同改善了电极材料的电荷转移动力学，三维石墨烯碳层的添加进一步增加了材料的比表面积和孔隙体积。实验结果表明，3DG/ZnSe-SnSe2 电极在电流密度为1Ag-1 时的比电容为1515.2F g-1，在 5Ag-1 下循环 3000 次后，电容保持率仍为90.1%。此外，3DG/ZnSe-SnSe2//AC的全固态 ASC 在功率密度为750W kg-1 时的能量密度达到 25.3Wh kg-1，在5Ag-1下循环20,000次后，电容保持率仍为 91.3%。利用其出色的电化学性能，这为构建高性能、长寿命的ASC器件提供了一条新途径，从而提高了未来储能技术的可行性和实用性。

文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c01868