汤建新教授课题组《Ceramics International》：利用钴硫化物（CoS）/聚吡咯（PPy）纳米复合材料制超级电容电极
超级电容器（SCs）因其高功率密度、快速充放电特性、良好的循环稳定性和安全性而备受关注。钴基硫化物因其较高的电导率和快速的氧化还原反应动力学被认为是有前途的SCs电极材料。然而，钴硫化物基电极材料在实际应用中仍然面临着电荷存储能力较低和循环过程中快速容量衰减的问题，这些问题可能归因于它们的电活性位点不足以及循环过程中的结构稳定性差。基于此，湖南工业大学生命科学与化学学院汤建新课题组制备了在PPy纳米线上装饰的CoS纳米片，这些纳米线直接生长在镍泡沫上。这种结构设计旨在提高电荷存储能力，同时保持结构稳定性，以满足超级电容器在实际应用中的性能需求。相关结果“Cobalt Sulfide Nanosheets Decorated on Polypyrrole Nanowires for Improved Charge Storage in Supercapacitors”发表在2023年1月1日的《Ceramics International》期刊上。论文的通讯作者是汤建新教授，第一作者是博士生刘爱凤。
通过两步电化学沉积方法成功制备了PPy纳米线装饰CoS纳米片的复合材料（PPy@CoS），用于超级电容器电极材料。首先，利用三电极体系在镍泡沫上通过电化学沉积生长PPy纳米线，然后在这些PPy纳米线上沉积CoS纳米片。电沉积过程中，通过控制电位和时间，调节CoS纳米片的沉积量和分布（图1）。
图1. 通过两步电沉积法制备PPy@CoS纳米复合材料的示意图
进一步，作者通过一系列电化学测试全面评估了PPy@CoS纳米复合材料作为超级电容器电极材料的性能。循环伏安法（CV）测试显示，PPy@CoS电极相较于纯CoS电极，展现出更高的电流响应，其中PPy@CoS-2电极的性能最为出色（图2）。
图2. 不同电极在5 mV s−1和1 A g−1下的（a）CV曲线和（b）恒流放电曲线；PPy@CoS-2电极在（c）Log(i) 和（d）的Log(v)的对比图；（e） PPy@CoS-2电极在5 mV s−1时电容和扩散控制贡献的CV曲线；（f）电容性和不同扫描速率下PPy@CoS-2电极的扩散控制贡献率。
恒流充放电（GCD）测试进一步证实了PPy@CoS电极的优越性，尤其是在高电流密度下，PPy@CoS-2电极的放电时间最长，表明其具有较高的比容量。电化学阻抗谱（EIS）测试揭示了PPy@CoS-2电极具有最低的内阻和电荷转移阻抗，这意味着它在电荷传输和转移方面具有更快的速率，从而提高了电极的反应活性。此外，PPy@CoS-2电极在经过5000次循环测试后，仍能保持92%的初始容量，显示了卓越的循环稳定性。在实际应用方面，基于PPy@CoS-2和氮掺杂碳纳米管（N-CNTs）构建的不对称超级电容器（ASC）设备，在800 W kg−1的功率密度下达到了51.1 Wh kg−1的比能量，并且在5000次循环后，依然保持了95%的初始容量和89%的库仑效率，这进一步证明了PPy@CoS纳米复合材料在超级电容器中的潜在应用价值（图3）。这些测试结果综合表明，PPy@CoS纳米复合材料是一种具有高电荷存储能力、良好倍率性能和优异循环稳定性的超级电容器电极材料。
图3. （a） PPy@CoS-2电极在1 ~ 20 A g−1时的GCD曲线；不同电极的比容量（b）、循环性能（c）和Nyquist图（d）；（e）PPy@CoS电极的电荷存储过程示意图。
在这项工作中，作者通过两步电化学沉积方法成功制备了PPy纳米线装饰的CoS纳米片（PPy@CoS）纳米复合材料，并将其作为超级电容器电极材料。这种复合材料在镍泡沫上直接生长，形成了核壳结构，其中CoS纳米片均匀分散在PPy纳米线上，增加了电活性位点并缩短了离子扩散距离。电化学测试显示，PPy@CoS电极材料具有优异的电荷存储能力和循环稳定性，特别是在1 A g−1的电流密度下比容量达到860C g−1，在20 A g−1的电流密度下仍能保持595 C g−1的比容量，并且在5000次循环后初始容量保持率达到了92%。此外，基于PPy@CoS纳米复合材料构建的不对称超级电容器（ASC）器件，在800 W kg−1的功率密度下实现了51.1 Wh kg−1的高比能量，循环5000次后容量保持率为95%，库仑效率为89%，证明了其良好的循环稳定性和实际应用潜力。这些结果表明，PPy@CoS纳米复合材料是一种高性能的超级电容器电极材料，为超级电容器电极材料的研究和开发提供了新的方向。
这项研究得到了中国国家自然科学基金（51774128）、湖南省教育部门科研基金（17A055和21C0425）、湖南省株洲市科技计划项目以及中国包装联合会绿色包装与安全专项研究基金（2017ZBLY14）的资助。
论文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0272884222032709
