近日，南京理工大學(xué)材料學(xué)院/格萊特研究院納米能源材料(NEM)實(shí)驗(yàn)室夏暉教授團(tuán)隊(duì)在超級(jí)電容器氧化鐵電極材料研究方面又取得新的突破。相關(guān)研究成果“Achieving Insertion-Like Capacity at Ultrahigh Rate Via Tunable Surface Pseudocapacitance”于2018年2月在線發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域頂尖期刊《Advanced Materials》(Adv. Mater., 2018, 1706640; IF=19.791)上。青年教師翟騰為第一作者，夏暉教授為通訊作者。這是該團(tuán)隊(duì)近一年內(nèi)發(fā)表的第十篇影響因子10以上的論文。

　　圖 改性氧化鐵/亞硫酸鈉體系容量隨掃速變化及儲(chǔ)能機(jī)理

　　與超級(jí)電容器的其它負(fù)極材料如碳材料相比，三氧化二鐵(Fe2O3)不但擁有較高的比電容量，而且資源豐富、價(jià)格低廉、環(huán)境友好，是一種極具應(yīng)用潛力的高性能負(fù)極材料。但是其弱電子、離子傳導(dǎo)性能，導(dǎo)致功率密度偏低和穩(wěn)定性較差，嚴(yán)重制約著它在高性能超級(jí)電容器中的廣泛應(yīng)用。自2017年以來，夏暉教授團(tuán)隊(duì)在超級(jí)電容器電極材料的研究上取得了一系列研究進(jìn)展，其研究結(jié)果均發(fā)表在國際材料能源領(lǐng)域的頂尖期刊上。在前期工作中，青年教師徐璟等人利用超細(xì)鎳納米管陣列上生長Fe2O3納米片(Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1606728; IF=12.124)，有效的提高了復(fù)合電極的贗電容性能。盡管如此，氧化鐵的本征弱電子、離子傳導(dǎo)性能依然亟待提升。在此基礎(chǔ)上，NEM實(shí)驗(yàn)室的博士生孫碩首先發(fā)明了一種利用硼氫化鈉溶液還原處理的普適方法制備具有本征高導(dǎo)電性和高離子傳導(dǎo)性的Fe2O3結(jié)晶/非晶-核殼異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)(Nano Energy, 2018, 45, 390;IF=12.343)：通過構(gòu)筑非晶殼-結(jié)晶核異質(zhì)結(jié)構(gòu)并引入氧空位，成功在不損失能量密度的前提下有效地提高了贗電容超級(jí)電容器的功率密度以及循環(huán)穩(wěn)定性。在這一工作進(jìn)行的同時(shí)，夏暉教授團(tuán)隊(duì)通過同種改性方法引入的氧空位，調(diào)控改性氧化鐵電極“牽手”氧化還原電解液中可貢獻(xiàn)贗電容量的亞硫酸鈉電解質(zhì)。增量吸附的亞硫酸根為電極提高了可存儲(chǔ)的電量，同時(shí)不受離子擴(kuò)散限制的儲(chǔ)能反應(yīng)的快速動(dòng)力學(xué)過程保證了大充放電倍率下實(shí)現(xiàn)更高的比容量(3.2 V s-1，290 C g-1)。高性能氧化鐵負(fù)極材料/體系的研發(fā)，為高能量密度水系超級(jí)電容器的構(gòu)筑提供了新的思路。此外，青年教師翟騰等人通過在金屬氧化物表面實(shí)現(xiàn)磷酸根離子的表面改性，從而大幅度提高材料的表面反應(yīng)活性而顯著提高其贗電容貢獻(xiàn)(Adv. Mater., 2017, 29, 1604167)。除了電極材料/體系比容量的提升，工作電壓的拓展是獲得高能量密度水系超級(jí)電容器的另一個(gè)關(guān)鍵。夏暉教授與化工學(xué)院朱俊武教授合作的2.6 V水系不對(duì)稱超級(jí)電容器的研發(fā)成果于2017年6月在線發(fā)表在《Advanced Materials》(Adv. Mater., 2017, 29, 1700804)上。系列研究成果的結(jié)合將為水系高電壓不對(duì)稱超級(jí)電容器的應(yīng)用研究提供有力的技術(shù)支撐，有望在未來取代鉛酸電池。

　　習(xí)近平總書記在十九大報(bào)告中關(guān)于“建設(shè)美麗中國”中指出，要“推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”。能源存儲(chǔ)材料作為高效儲(chǔ)能裝置的關(guān)鍵，是大力發(fā)展清潔能源不可或缺的一環(huán)。夏暉教授團(tuán)隊(duì)立足于清潔能源高效利用，圍繞多種儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵材料開展研究，在過去一年中取得了一系列進(jìn)展。

　　其中圍繞鋰離子電池研究方向，取得的研究成果包括博士生薛亮完成的三維自支撐多孔LiCoO2納米片陣列正極(Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1705836; IF=12.124)、青年教師岳繼禮和碩士生嘉蓉完成的碳包覆SnO2-x多孔納米片陣列負(fù)極(Energy Storage Mater., 2018, 13, 303;即時(shí)IF=13.39)、博士生夏求應(yīng)完成的簡易可控的硼(B)氮(N)雙摻雜三維多孔碳納米纖維正負(fù)極用于鋰離子電容器(Adv. Energy Mater., 2017, 1701336; IF=16.721)、青年教師徐璟和碩士生蔣瑤完成的多孔氧化錳納米立方負(fù)極的研究工作(Small, 2018, DOI:10.1002/smll.201704296;IF=8.643)。

　　圍繞鈉離子電池研究方向，取得的研究成果包括青年教師楊梅和碩士生馬依凡完成的氮(N)硫(S)共摻類石墨烯材料(Energy Storage Mater., 2018, 13, 134)、青年教師楊梅和博士生陳婷婷完成的功能化石墨烯/硫化鈷量子點(diǎn)復(fù)合電極(J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 3179;IF=8.867)、博士生郭秋卜完成的CoSx量子點(diǎn)內(nèi)嵌氮硫共摻類石墨烯材料(ACS Nano, 2017, 11, 12658. IF=13.942)、碩士生陳琪等完成的硫化鎳嵌入的柔性三維碳纖維電極材料用于柔性鈉離子電池(Adv. Energy Mater., 2018, DOI:10.1002/aenm.201800054;IF=16.721)的研究工作。上述研究工作受到了能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的專家學(xué)者以及新能源企業(yè)的廣泛關(guān)注。