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用于柔性固态非对称超级电容器的银量子点修饰MoO3和MnO2纸状自支撑薄膜

来源:钜大LARGE    2019-06-18    点击量:138

随着便携式电子设备、移动电子设备、电子纺织品和电子皮肤等的快速发展,对具有高能量密度和功率密度的高度安全和灵活的能量存储设备的需求不断增大。超级电容器具有高功率密度、长寿命、宽的工作温度范围等特点,但能量密度仍然限制了超级电容器更广泛的应用,通过构筑固态非对称超级电容器可以有效地扩展器件的电压窗口,从而根据方程式E=1/2·CV2可以有效地提高能量密度。因此,研究具有良好机械性能的先进固态非对称超级电容器以满足市场需求成为近来研究的热点。

二氧化锰(MnO2)是一种有前景的赝电容材料,由于其理论比容量高(1370Fg-1)、成本低、可用性强并且环境友好,因此作为正极材料备受关注,但它们的低电导率和固有的氧化还原反应,通常导致实际比电容较低和循环稳定性较差。量子点(QD)是具有大致球形形状且直径在2和8nm之间的金属或半导体纳米颗粒。本文主要介绍了通过Ag量子点修饰纳米结构的过渡金属氧化物电极,来增强其物理参数并构建优异的固态非对称超级电容器。

近日,华中科技大学郭新教授和魏璐副教授(共同通讯作者),博士生张兴艳(一作)等人通过水热法合成MoO3纳米带、MnO2纳米线和Ag量子点,通过简单的真空抽滤和“浸渍、干燥”过程制备了Ag量子点修饰的MoO3或MnO2(AgQDs/MoO3或AgQDs/MnO2)纸状自支撑薄膜。该混合纳米结构电极表现出优异的赝电容性能,具有高的面积比电容,优异的倍率性能和循环稳定性。此外,构建了基于AgQDs/MnO2阴极,AgQDs/MoO3阳极和Na2SO4/PVA凝胶电解质的固态非对称超级电容器,该器件具有高能量密度、功率密度和良好的柔性,在高度安全的中性水系电解液中具有高达2V的稳定的工作电压窗口,装置的整体电化学性能优于文献报道的一些非对称超级电容器。相关论文以“Silver-Quantum-Dot-ModifiedMoO3andMnO2Paper-LikeFreestandingFilmsforFlexibleSolid-StateAsymmetricSupercapacitors”为题发表在Small上

AgQDs/MoO3和AgQDs/MnO2薄膜的制备:MoO3纳米线、MnO2纳米线和Ag量子点均采用水热法合成。首先,将25mgMoO3纳米线(或10mgMnO2纳米线)分散到50mL去离子水中,超声处理15分钟,通过真空抽滤,将得到的滤饼在120℃下真空干燥,然后剥离,从而得到直径为40mm的纸状自支撑薄膜。通过简单的“浸渍、干燥”过程获得AgQDs修饰的MoO3或MnO2膜:具体过程是将一片MoO3(或MnO2)膜置于培养皿中,加入一定量的分散在环己烷中的AgQDs溶液直至浸没,并保持浸渍2小时,再在70℃下干燥2小时。经过几次浸渍、干燥循环过程后,样品在250℃下完全干燥2小时,得到AgQDs/MoO3或AgQDs/MnO2薄膜。固态非对称超级电容器的制备:固态非对称超级电容器采用AgQDs/MnO2薄膜作为正极,AgQDs/MoO3薄膜作为负极,Na2SO4/PVA凝胶作为电解质,在组装超级电容器之前,首先将电极(没有任何粘结剂和导电添加剂的AgQDs/MoO3和AgQDs/MnO2薄膜)和隔膜浸泡在凝胶电解质中2小时,使用不锈钢片作为集流体将由隔膜分开的两个电极组装在一起,或使用Ni泡沫作为柔性集流体,并用paraffin膜密封得到柔性器件。

通过简单的“浸渍、干燥”过程使用Ag量子点对MnO2和MoO3纸状自支撑薄膜进行表面改性是改善混合电极赝电容存储性质的有效策略。由于插层赝电容机制,AgQDs/MoO3“纸”在0.2mAcm?2下的比电容高达735.6mFcm?2,而AgQDs/MnO2“纸”在相同电流密度下的比电容值为63.64mFcm?2,两者均具有良好的倍率性能和优异的循环性能。组装的固态非对称超级电容器,以AgQDs/MoO3“纸”为阳极,AgQDs/MnO2“纸”作为阴极,Na2SO4/PVA凝胶作为电解质可以在0-2V的电压范围内可逆地循环。它具有高的面积比电容(82.66mFcm-2),在13.3mWcm-3(20μWcm-2)的功率密度下具有30.6mWhcm-3(45.92μWhcm-2)的优异能量密度,在不同电流密度下具有良好的循环稳定性,在机械弯曲作用下具有出色的结构和电化学完整性。该策略也可以用于制备其他过渡金属氧化物薄膜或纳米结构,其中Ag量子点的修饰增强作用可以用于多方面领域,而不限于能量存储。

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