金属有机框架衍生的分层Ni / Ni3S2装饰的碳纳米纤维在高性能超级电容器中的应用

DOI: 10.1039/c9qm00296k

在过去的几年中，金属有机框架（MOFs）及其衍生物在能量转换和存储领域中已成为很有前途的电极材料。在此基础上，在预氧化电纺聚丙烯腈（PAN）纳米纤维上，通过碳化和硫化工艺，制备了基于MOFs的模板生长的Ni／Ni₃S₂修饰碳纳米纤维（CNFs）。Ni和CNFs的形成提供了高电导率，而分层结构有助于暴露大量的氧化还原活性位点。因此，优化的分层Ni / Ni₃S₂ / CNFs作为超级电容器电极具有很高的电化学性能，在0.2 A g ^-1的条件下具有830.0 F g ^-1的比电容和理想的速率性能。此外，组装的固态超级电容器在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次充放电循环后具有95.7%的良好电容保持率。该策略为有效构建MOF衍生电极材料用于储能系统奠定了基础。

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

图2（a）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-500，Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700和Ni / Ni₃S₂ / CNFs-900的XRD图谱。 （b）XPS全扫描光谱和Ni / Ni3S2 / CNFs-700样品的（c）Ni 2p峰和（d）S 2p峰的高分辨率光谱。

图3（a）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-500、Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700、Ni / Ni₃S₂ / CNFs-900电极和Ni泡沫在5 mV s^-1时的CV曲线。（b）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-500、Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700和Ni / Ni₃S₂ / CNFs-900电极在0.2 A g^-1下的GCD曲线。（c）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700电极在不同扫描速率下的CV曲线，以及（d）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700电极在不同电流密度下的GCD曲线。（e）在不同电流密度下的比电容和电容保持率，以及（f）Ni / Ni₃S₂ / CNFs-500，Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700和Ni / Ni₃S₂ / CNFs-900电极的奈奎斯特图。

图4（a）扫描速率为5 mV s^-1时的CV曲线，（b）电流密度为0.2 A g^-1时的GCD曲线，（c）不同电流密度下的比电容和电容保持率，（d）Ni/Ni₃S₂/CNFs-700、Ni/CNFs-700、MOF衍生Ni/Ni₃S₂和非MOF衍生Ni/NiS₂/CNFs电极的奈奎斯特图。

图5（a）以Ni / Ni₃S₂ / CNFs-700为正极材料，活性炭为负极材料的不对称固态超级电容器的结构示意图。（b）50 mV^-1时的CV曲线和（c）在不同电位窗口下2 A g^-1的GCD曲线，（d）在不同扫描速率下的CV曲线，以及（e）在ASC器件0-1.8 V电位窗口内不同电流密度下的GCD曲线。

图6（a）Ragone图（能量密度与功率密度），（b）组装后的ASC器件的循环稳定性和库仑效率。