仿生合成铁氧体量子点/石墨烯异质材料用于高性能超级电容器
第一作者：付民
通讯作者：雷钰*，林雨潇*，Mauricio Terrones*
单位：山东科技大学, 清华大学深圳国际研究生院，江苏师范大学，宾夕法尼亚州立大学
【研究背景】
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和结构的设计与调控至关重要。
【文章简介】
近日，来自山东科技大学的付民，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（XFe2O4 QD/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NiFe2O4 QD/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。
【本文要点】
要点一： 异质结构的仿生矿化构建
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。
图1. NiFe2O4 QD/G复合材料的仿生矿化合成示意图
图2. NiFe2O4 QD/G复合材料的结构表征
要点二： 离子吸附和电荷/离子传输特性的强化
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。最后，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。
图3. DFT理论计算：吸附能及态密度
图4. DFT理论计算：态密度及自旋密度图
图5. 器件的电化学性能
【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
【作者简介】
付民简介：现为山东科技大学储能技术学院副教授，主要从事储能、分离吸附及电磁波吸收等方面的研究工作。在Advanced Materials，Small, Carbon，Journal of Materials Chemistry A和Chemical Engineering Journal等学术刊物上发表40余篇研究论文，参与编写十三五规划教材1部。担任教育部学位中心论文评审专家，Materials期刊的Topic Editor和Journal of Renewable Materials期刊的Guest Editor，担任Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A，Carbon, ChemSusChem, ACS Applied Materials & Interfaces等30多个国际期刊的学术审稿人。
雷钰简介：现为清华大学国际研究生院助理教授、博士生导师及特别研究员。主要从事二维材料缺陷设计及性能调控研究，以及其在能源转化，单原子催化，及生物分子检测领域的应用。已发表SCI论文40余篇，以第一或通讯作者在Mater. Today、Sci. Adv.、ACS Nano、Small等期刊发表论文10余篇，总引用1800余次，H因子21，已申请美国专利2项。担任ACS Nano、2D Mater., Carbon, NPJ 2D Mater. Appl.等多个国际期刊的学术审稿人。荣获2022深圳市海外高层次人才计划（鹏城孔雀B）、2022国际先进材料学会Young Scientist Award、2013年清华大学优秀硕士毕业生、优秀硕士学位论文奖等荣誉称号，承担1项深圳市自然科学基金（面上）、1项广东省基础与应用基础研究基金区域联合基金青年基金和1项清华大学深圳国际研究生院交叉科研创新基金，参与1项国家重点研发计划。
林雨潇简介：现为江苏师范大学副教授，主要研究方向为计算材料学及其在新型储能器件材料设计中的应用,以(共同)第一或通讯作者在Nat. Commun., Angew. Chemie., Nano Lett., Adv. Energy Mater.等期刊发表论文10余篇，同时担任期刊Crystals客座编辑及Exploration青年编委。
Mauricio Terrones简介：现为宾夕法尼亚州立大学杰出教授，宾夕法尼亚州立大学二维和分层材料中心以及NSF-IUCRC原子级薄多功能涂料中心（ATOMIC）的创始人。2000年获墨西哥国家化学奖，2001年获联合国教科文组织颁发的Javed Husain奖和阿尔伯特爱因斯坦奖，2005年因在碳基纳米材料领域的贡献而获TWAS工程物理奖（有史以来获得TWAS奖项的最年轻的科学家），2012年当选美国科学促进会（AAAS）研究员，2015年当选英国皇家化学学会会员，2016年被授予物理科学学院学者奖章，Carbon主编，2D材料和自然科学报告的副主编。已发表超过600余篇SCI科学论文，被引用次数超过60,000次，H因子=124，其中包括Nature, Science, Nat. Materials., Nat. Chemistry, Nat. Nanotechnology, Science Advances等高水平杂志。
