Small Methods:由纳米气泡构成的复杂多级笼状结构

研制开发清洁可持续的能量转化和储存系统被认为是应对全球气候变化和化石能源枯竭的重要途径。在这一重要领域中,电化学能量转化和储存器件的设计和生产被视为未来能源科技的重要组成部分。其中,混合超级电容器(HSC)由于同时具备电池水平优异的能量密度和传统超级电容器突出的功率密度被视为最有发展潜力的几种电化学能量转化和储存器件之一。合成具有优秀性能的电极材料是制备先进混合超级电容器的核心问题。在具有发展潜力的电极材料中,过渡金属硫化物由于具有丰富的氧化还原活性位点,较强的导电性和较高的质量比电容,成为制备混合超级电容器的主流电极材料。除了对电极组分的控制,想得到高效的储能器件还需要对电极材料的结构进行合理设计。由于具备较高的比表面积,丰富的表面活性位点和较好的传质性能,空心纳米结构被认为是很有应用前景电极结构。由于可以极大的提高活性材料的体积密度并且保持空心结构的优势,由具有不同直径的外壳组成的多层空心结构被广泛研究。然而,相对简单的外壳结构不利于进一步提高电极材料的比表面积和电化学性能。而且受限于目前的合成方法,制备由空心结构基元构成外壳的多级空心结构还很难实现。

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近日,新加坡南洋理工大学楼雄文教授研究小组提出了一种新颖的“纳米粒子/金属有机框架”双模板法来合成硫化钴纳米气泡空心笼状结构作为混合超级电容器的电极材料。与以往工作不同的是,作者第一次将具有介观结构的TiO2/十六胺纳米球均匀的分布在金属有机框架ZIF-67多面体中,然后通过硫化/刻蚀反应将这种复合前驱物转化成为具有气泡状结构基元的空心笼状多级结构。向金属有机框架ZIF-67中引入可降解的TiO2/十六胺纳米球可在这两种不同前驱物之间营造出新的界面,这有利于硫化钴在界面上产生最终形成气泡状结构。更重要的是,这种通用的方法可以包覆多种功能化纳米粒子(UIO-66多面体,FeOOH纳米棒和碳纳米管)形成金属有机框架复合物。受益于其独特的外壳结构和稳定的骨架,硫化钴纳米气泡空心笼状结构表现出优异的电化学性能。

相关研究成果近期发表在Small Methods杂志上(10.1002/smtd.201700158)

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