近日，四川大学青年教师吉俊懿副教授带领的新能源材料课题组在能量存储与转换器件研究方面取得重要进展，相关成果“Co-doped Ni3S2@CNTs Array Anchored on Graphite Foam with Hierarchical Conductive Network for High-Performance Supercapacitor and Hydrogen Evolution Electrode”发表于国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》（2016年影响因子8.867）上。该论文第一作者为四川大学化工学院2016级硕士生王飞飞，化工学院吉俊懿副教授为该论文的通讯作者。
近年来，超级电容器和电催化材料由于环境友好和循环寿命高等优点引起了持续的关注。其中，钴掺杂Ni3S2复合材料由于具备丰富的氧化还原价态，与单金属Ni3S2或Co3S4相比表现出更好的电化学活性。然而，电导率较差和结构不稳定引起的活性材料利用率有限和反应动力学缓慢等缺点阻碍了其性能的进一步提升。为了提高金属硫化物的电化学性能，可以通过在活性材料表面覆盖导电聚合物或多孔碳来构建外部导电结构。然而，电极/电解质界面处的外部导电层的增加也会增加电解质离子扩散阻力，因此产生离子和电子转移速率之间的“Trade-Off”效应。
因此，采用构建多层内部导电网络的方法不仅可以提升电子传递速率，同时不会阻碍离子通过电极界面的迁移过程。与此同时，为了得到良好的储能及电催化性能，导电骨架的结构设计需要兼顾大有效面积和高传质效率两大需求。
基于此，本实验设计了一种具有高传质效率的碳纳米管/泡沫石墨多级导电网络（见图1），垂直于泡沫石墨骨架界面的碳纳米管阵列具有良好的可接触界面面积及传质通路，能够实现电解液及所产生气体的快速迁移。与此同时，负载活性物质的复合电极实现了离子/电子迁移通路的分离，即离子通过电解液/活性物质界面迁移，电子通过内部导电骨架传输，从而有效避免了“Trade-Off”效应的发生。
图1 Co-Ni3S2@CNTs/GNF复合材料的合成示意图
本研究首先以氧化锌为模板和催化剂生长碳纳米管/泡沫石墨为多级导电网络，随后通过可控制备得到“鸡毛掸子”状钴掺杂硫化镍纳米交叉片/碳纳米管/泡沫石墨多级结构复合材料。该材料具备优良的碳纳米管/GNF内部导电网络，能够在降低电解液离子传质阻力的同时有效地提升导电效率，从而提升活性物质的利用效率，强化能量的存储与转换（见图2）。因此，Co-Ni3S2@CNTs/GNF复合材料在1 mA cm-2下的最高比电容为4.1 F cm-2，高于NiCo-LDH@CNTs/GNF和Co-Ni3S2/GNF。同时，Co-Ni3S2@CNTs/GNF也表现出良好的倍率性能（40 mA cm-2面电容留存率为57.8％）及循环稳定性（1000次循环后电容留存率为89.8％）。与此同时，该多级复合电极也表现出良好电催化析氢活性（在10 mA cm-2时过电位为155 mV）和优异的电催化稳定性，证明了该理性设计的Co-Ni3S2@CNTs/GNF多级复合材料可以作为理想的储能材料及电催化材料。
图2 a, b, c) NiCo-LDH@CNTs/GNF复合材料前驱体和d, e, f) Co-Ni3S2@CNTs/GNF的扫描电镜图
该项研究得到了国家自然科学基金项目（21506130，21490582，21776187）、中央高校基本科研业务费、高分子材料工程国家重点实验室自主课题经费（sklpme2017-3-01）等资助。
原文连接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/ta/c8ta03131b
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