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苏州纳米所李清文、张其冲等合作AEM:聚吡咯辅助氮掺杂策略用于高性能的可穿戴无极性超级电容器和水系锌离子电池

  近年来由于可穿戴电子器件的飞速发展,人们对具有高能量密度功率密度的纤维状储能装置的需求日益增加。然而,活性材料的低负载量和离子的缓慢扩散限制了能量密度和功率密度的提高,阻碍了其作为柔性储能器件的应用。为解决上述问题,研究者们采用在活性材料中进行掺杂杂原子的方法,元素掺杂可以改变电极材料在分子结构中的电子分布,从而提高电子导电性。另一种报道的有效方法是将活性材料负载到三维导电支架上,这种方法显著增加了电极的比表面积和活性物质的负载量,提供更多的离子存储位置和电荷传输路径,从而提高电容和加速离子扩散6165金沙总站-欢迎您!。尽管单独掺杂杂原子或使用支架是有效的方案6165金沙总站-欢迎您!,但提高纤维电极的电化学性能方面仍然有限,并且需要繁琐的制造工艺。 

  苏州纳米所轻量化实验室李清文与张其冲等提出了一种简便且经济高效的策略同时实现了三维导电支架的构建和对活性材料VO2的原位氮掺杂6165金沙总站-欢迎您!。具体来说,首先在碳纳米管纤维(CNTF)上电化学聚合聚吡咯(PPy)纳米线三维支架6165金沙总站-欢迎您!,然后在其上溶剂热生长氧化钒(VOx)纳米片,最后通过在惰性气体中高温退火6165金沙总站-欢迎您!,使PPy纳米线碳化为氮掺杂碳(NC)的三维导电支架6165金沙总站-欢迎您!,同时热解出氨气,原位的氮掺杂VOx形成氮掺杂的VO2N-VO2)6165金沙总站-欢迎您!,制备出了高性能N-VO2@NC@CNTF纤维电极6165金沙总站-欢迎您!。 

  1. N-VO2@NC@CNTF纤维电极的制备示意图和形貌表征 

  PPy纳米线的碳化不仅形成了NC三维导电支架,用于增强离子传输路径和N-VO2的质量负载,而且还提供了氮原位掺杂到VOx中以产生N-VO2的来源,用于提高电子电导率和储能能力。因此,这种合理设计的N-VO2@NC@CNTF纤维电极具有优异的电化学性能和机械柔性,适用于全固态纤维状无极性超级电容器和水系锌离子电池。 

  2. N-VO2@NC@CNTF纤维电极用作纤维状无极性超级电容器的性能 

  3. N-VO2@NC@CNTF纤维电极用作纤维状水系锌离子电池的性能 

  此外,理论计算结果发现6165金沙总站-欢迎您!,PPy辅助的N-VO2的带隙可以从0.55eV显著降低到0.23eV,从而大大提高了其电导率。另外N掺杂后也使得锌离子的扩散更加容易,进一步提升了储锌的性能6165金沙总站-欢迎您!。 

  4 DFT模拟计算的N-VO2VO2的性能对比 

  该研究工作为设计和开发具有优异电化学性能和机械柔性的可穿戴水系储能装置开辟了新途径。相关工作以Polypyrrole-Assisted Nitrogen Doping Strategy to Boost Vanadium Dioxide Performance for Wearable Nonpolarity Supercapacitor and Aqueous Zinc-Ion Battery为题发表于Advanced Energy Materials6165金沙总站-欢迎您!,本文的共同第一作者是东南大学郭嘉斌,通讯作者是苏州纳米所李清文研究员、张其冲项目研究员和东南大学王春雷研究员6165金沙总站-欢迎您!,徐州工程学院巩文斌副教授负责文中的计算模拟内容。该论文工作获得了中科院率先行动引才计划和国家自然科学基金等项目资助。 

论文链接


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