金屬有機框架衍生的分層Ni / Ni3S2裝飾的碳納米纖維在高性能超級電容器中的應用

DOI: 10.1039/c9qm00296k

在過去的幾年中，金屬有機框架（MOFs）及其衍生物在能量轉換和存儲領域中已成為很有前途的電極材料。在此基礎上，在預氧化電紡聚丙烯腈（PAN）納米纖維上，通過碳化和硫化工藝，制備了基于MOFs的模板生長的Ni／Ni₃S₂修飾碳納米纖維（CNFs）。Ni和CNFs的形成提供了高電導率，而分層結構有助于暴露大量的氧化還原活性位點。因此，優化的分層Ni / Ni₃S₂ / CNFs作為超級電容器電極具有很高的電化學性能，在0.2 A g ^-1的條件下具有830.0 F g ^-1的比電容和理想的速率性能。此外，組裝的固態超級電容器在1800 W kg^-1的功率密度下提供31.6 W h kg^-1的高能量密度，并且在5000次充放電循環后具有95.7%的良好電容保持率。該策略為有效構建MOF衍生電極材料用于儲能系統奠定了基礎。

圖1（a和b）Ni / CNFs-700和（c和d）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700的SEM圖。（e–g）HRTEM圖像，（h）EDX光譜，（i）HAADF-STEM，Ni/Ni₃S₂/CNFs-700的（j）Ni-L，（k）S-K和（L）C-K的EDX元素映射。

圖2（a）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-500，Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700和Ni / Ni₃S₂ / CNFs-900的XRD圖譜。 （b）XPS全掃描光譜和Ni / Ni3S2 / CNFs-700樣品的（c）Ni 2p峰和（d）S 2p峰的高分辨率光譜。

圖3（a）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-500、Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700、Ni / Ni₃S₂ / CNFs-900電極和Ni泡沫在5 mV s^-1時的CV曲線。（b）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-500、Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700和Ni / Ni₃S₂ / CNFs-900電極在0.2 A g^-1下的GCD曲線。（c）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700電極在不同掃描速率下的CV曲線，以及（d）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700電極在不同電流密度下的GCD曲線。（e）在不同電流密度下的比電容和電容保持率，以及（f）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-500，Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700和Ni / Ni₃S₂ / CNFs-900電極的奈奎斯特圖。

圖4（a）掃描速率為5 mV s^-1時的CV曲線，（b）電流密度為0.2 A g^-1時的GCD曲線，（c）不同電流密度下的比電容和電容保持率，（d）Ni/Ni₃S₂/CNFs-700、Ni/CNFs-700、MOF衍生Ni/Ni₃S₂和非MOF衍生Ni/NiS₂/CNFs電極的奈奎斯特圖。

圖5（a）以Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700為正極材料，活性炭為負極材料的不對稱固態超級電容器的結構示意圖。（b）50 mV^-1時的CV曲線和（c）在不同電位窗口下2 A g^-1的GCD曲線，（d）在不同掃描速率下的CV曲線，以及（e）在ASC器件0-1.8 V電位窗口內不同電流密度下的GCD曲線。

圖6（a）Ragone圖（能量密度與功率密度），（b）組裝后的ASC器件的循環穩定性和庫侖效率。