山科大，清华深研院，江苏师大＆PSU，Advanced Materials：仿生构筑量子点/石墨烯异质结构强化电荷/离子传输

【导读】

由于具有成本低和理论容量高等优点，尖晶石铁氧体被认为是非常有潜力的电极材料。然而，传统的块状铁氧体材料仍受限于导电性差、活性位点不足和离子传输迟缓等问题。课题组前期工作（Carbon, 2022, 199, 520-528；Small, 2021, 17(1), 2004827； Journal of Power Sources, 2021, 492, 229669；Carbon, 141 (2019) 748-757）开发了一系列不同结构的铁氧体及其他金属化合物，研究表明材料结构在提升电化学表现方面扮演着关键的角色。因此，铁氧体基电极材料的组分结构的设计与调控至关重要。

【成果掠影】

近日，来自山东滚球体育 大学的付民，清华大学深圳国际研究生院的雷钰、江苏师范大学的林雨潇与宾夕法尼亚州立大学Mauricio Terrones合作，开发了一种普适性的仿生合成策略，得到一系列尖晶石铁氧体(XFe₂O₄, X = Ni, Co, Mn)量子点/石墨烯异质结构（XFe₂O₄QD/G）。量子点结构牢固的锚定在石墨烯片层上，不仅增强了结构稳定性，而且改善了导电性，从而加速了离子传输和电荷迁移。良好的结构特性赋予了电极材料更好的电化学表现，所合成的NiFe₂O₄QD/G复合电极材料表现出优异的电容性能（1 A g^-1时比电容达到697.5 F g^-1，10 A g^-1时比电容为501.0 F g^-1，1万次循环后比电容没有明显衰减）。密度泛函理论计算表明，这种异质结构促进了离子吸附，强化了电荷/离子传输特性。另外，组装的对称型超级电容器在24.4 Wh kg^-1和17.4 Wh kg^-1的能量密度下，功率密度分别可达499.3 W kg^-1和4304.2 W kg^-1。 该工作不仅丰富和拓展了仿生矿化合成策略的应用领域，而且为高性能电极材料的设计提供了新的思路。研究成果以题为“BiomimeticConstructionofFerriteQuantum Dot/GrapheneHeterostructurefor Enhancing Ion/charge TransferinSupercapacitors”发表在国际知名期刊Advanced Materials上。

【核心创新点】

仿生矿化合成策略通过将沉淀剂和反应溶液分离，减慢晶体成核和生长速度，将材料尺寸控制在量子点水平，构建了一系列量子点/石墨烯异质结构。多种结构表征手段证实了这种异质结构的成功构建。传统块体材料通常存在活性位点不足和离子传输迟缓等弊端。仿生矿化合成策略构建的异质结构，能够充分释放活性位点，加快电荷/离子传输。得益于铁氧体量子点结构和高导电石墨烯之间的协同作用，所合成的复合电极材料表现出优异的电容性能（1 A g^-1时比电容达到697.5 F g^-1，10 A g^-1时比电容为501.0 F g^-1，1万次循环后比电容没有明显衰减）。电化学测试和密度泛函理论计算证实了这种异质结构在促进离子吸附和强化电荷/离子传输特性方面独特的优势。

【数据概览】

图1量子点/石墨烯异质结构的构建示意图。

图2 NiFe₂O₄QD/G的结构表征。（a, b）NiFe₂O₄QD/G的SEM，（c, d）NiFe₂O₄QD/G的TEM，（e）NiFe₂O₄QD/G的EDS，（f, g）NiFe₂O₄QD/G的AC-TEM，（h）NiFe₂O₄QD/G的XRD，（i）NiFe₂O₄QD/G的拉曼光谱，（j-l）NiFe₂O₄QD/G的XPS

图3 DFT理论计算1（吸附能及态密度）。（a-e）不同材料或晶面的侧视图和俯视图以及吸附能，（f-h）不同材料的态密度。

图4 DFT理论计算2（不同晶面和层数的态密度及自旋密度图）。（a, d）单层NiFe₂O₄(311)的态密度及自旋密度图，（b, e）双层NiFe₂O₄(311)的态密度及自旋密度图，（c, f）四层NiFe₂O₄(311)的态密度及自旋密度图，（g, j）单层NiFe₂O₄(110)的态密度及自旋密度图，（h, k）双层NiFe₂O₄(110)的态密度及自旋密度图，（I, l）四层NiFe₂O₄(110)的态密度及自旋密度图。

图5储能器件的电化学性能。（a, b）电容贡献和扩散贡献，（c）CV，（d）GCD，（e）结构及离子/电荷传输示意图，（f）能量密度和功率密度对比。

【成果启示】

综上所述，作者提出了一种普适性的仿生矿化合成策略，通过减慢晶体成核和生长速度，将材料尺寸控制在量子点水平，开发了一系列量子点/石墨烯异质结构。多种结构表征和密度泛函理论计算证实了这种异质结构在促进离子吸附和强化电荷/离子传输特性方面独特的优势。所得的电极材料及器件表现出优异的储能效果，为高性能电极材料的设计提供了新的尝试。

【文章链接】

Biomimetic Construction of Ferrite Quantum Dot/Graphene Heterostructure for Enhancing Ion/charge Transfer in Supercapacitors

DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202300940

本文由作者供稿