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在電化學(xué)儲(chǔ)能體系中，開發(fā)高性能電極材料是關(guān)鍵。過渡金屬硫族化物具有較大的比表面積、豐富的表面/邊緣原子、多樣的物理特性以及理論容量高，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域備受關(guān)注。在金屬硫族化物中，金屬硒化物具有比硫化物更高的導(dǎo)電性，是一類極具潛力的高性能電極材料。然而，目前基于金屬硒化物的超級電容器電極材料的性能仍有較大的提升空間，特別是在比容量和倍率性能方面。

近，河南省信陽師范學(xué)院黃克靖教授課題組通過兩步水熱法，利用硒化過程中前驅(qū)物的自犧牲反應(yīng)，在泡沫鎳基底上設(shè)計(jì)制備了混合金屬硒化物Co-Cd-Se納米棒。在堿性體系中，該電極材料在20A/g的電流密度下，比容量能達(dá)到124mAh/g (893F/g);以該電極材料和碳包裹Fe納米顆粒分別作為正、負(fù)極構(gòu)建的電池-超級電容器混合儲(chǔ)能體系，也表現(xiàn)出了高的能量密度和功率密度以及好的循環(huán)穩(wěn)定性。作者通過分析認(rèn)為，該高性能主要取決于以下三點(diǎn)：(1)導(dǎo)電基底上直接合成納米棒的一體化電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及金屬硒化物自身較高的導(dǎo)電性，非常有利于電子和離子的傳輸;(2)Co-Cd-Se納米棒表面由納米顆粒組成，能提供較大活性面積;(3)電極材料中Co9Se8和CdSe兩種硒化物間的協(xié)同效應(yīng)。該工作發(fā)表在國際期刊Nano Energy上(影響因子12.343)，作者為碩士生翟子波，通訊作者為黃克靖教授和武旭博士。

圖1.Co-Cd-Se的合成示意圖。

首先在泡沫鎳基地上生長Co-Cd-O (Co3O4/CdO)納米針狀結(jié)構(gòu)前驅(qū)物，后通過硒化過程得到Co-Cd-Se (Co9Se8/CdSe)混合硒化物納米棒結(jié)構(gòu)。通過表征可以看出Co-Cd-Se均勻覆蓋在泡沫鎳表面，其納米棒結(jié)構(gòu)由小的納米顆粒組成;在Co-Cd-Se中，Co9Se8和CdSe均勻混合。

圖2.Co-Cd-Se混合硒化物的表征。(a-c) Co-Cd-Se的SEM圖;(d) Co-Cd-Se的TEM和HRTEM圖;(e)Co-Cd-Se的電子衍射圖;(f) Co-Cd-Se的mapping圖;(g-h)Co-Cd-Se的XRD和XPS圖;(i)Se 3d XPS能譜圖。

圖3.Co-Cd-Se的電化學(xué)性能測試。(a) 泡沫鎳基底，Co-Cd-O 和 Co-Cd-Se的CV對比圖;(b)Co-Cd-Se在不同掃描速度下的CV圖;(c) Co-Cd-Se在不同電流密度下的充放電圖;(d)Co-Cd-Se在不同電流密度下的比容量;(e) Co-Cd-Se 在2A/g下的循環(huán)性能測試;(f) Co-Cd-Se的柔性測試。

在1、5、10、15和20A/g的電流密度下，Co-Cd-Se的比容量分別為192、170、163、146和124mAh/g (1382、1224、1174、1051和893F/g);2A/g倍率下循環(huán)1000次，容量保持為95.3%;同時(shí)，得到的電極具有較好的柔性。

圖4.電池-超級電容器混合儲(chǔ)能器件的構(gòu)建和性能測試。(a) 混合儲(chǔ)能器件原理示意圖;(b-c) 混合儲(chǔ)能裝置的CV和放電圖;(d-f)混合儲(chǔ)能裝置的倍率、循環(huán)和能量密度/功率密度性能;(g)混合儲(chǔ)能器件對LED燈的實(shí)際應(yīng)用測試。

總之，本工作通過設(shè)計(jì)構(gòu)筑一體化電極結(jié)構(gòu)，得到了一種基于Co-Cd混合硒化物納米棒的高性能超級電容器電極材料，將其應(yīng)用于電池-超級電容器混合儲(chǔ)能體系中，展現(xiàn)出了高的儲(chǔ)能特性，為基于硒化物的高性能電化學(xué)能量存儲(chǔ)提供了一種思路。

材料制備過程：

硒的水合肼溶液的制備：將0.3g的硒粉超聲溶解在10 mL水合肼中，靜置24小時(shí)。

Co-Cd-O前驅(qū)物的制備：1.0×10-4 M Cd(NO3)2˙4H2O，1.0×10-3 M尿素和2.0×10-4 M Co(NO3)2˙6H2O溶解在70 mL 水中，放入泡沫鎳基底，150°C水熱反應(yīng)8小時(shí)。

Co-Cd-Se電極的制備：將Co-Cd-O電極浸入80mL去離子水中，加入800 µL硒的水合肼溶液，180°C水熱反應(yīng)10小時(shí)。

Zi-Bo Zhai, Ke-Jing Huang, Xu Wu, Superior Mixed Co-Cd Selenide Nanorods for High Performance Alkaline Battery-Supercapacitor Hybrid Energy Storage, Nano Energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.02.059

原標(biāo)題:Co-Cd混合硒化物納米棒應(yīng)用于高性能堿性混合儲(chǔ)能體系