Rapid Joule-heating synthesis of oxide nanoparticles on carbon cloth as electrodes for supercapacitors

碳布上快速焦耳热合成氧化物纳米颗粒作为超级电容器电极

Gang Chen ^{a, b, *}, Maotang Wang ^a, Mingzhi Jiao ^a, Xianglin Kong ^a, Lei Zhao ^{a, **}

^a 中国矿业大学信息与控制工程学院，徐州，中国
^b 中国矿业大学化工学院，徐州，中国

DOI: 待补充 | 期刊名称: 待补充 | 发表年份: 2024

论文亮点

        一种用于快速掺入赝电容材料的焦耳热策略
氧化物纳米颗粒在预活化的碳布上制备

研究背景

应对气候变化和化石燃料枯竭需要高效储能系统，超级电容器因其高功率输出、短充电时间和优异耐久性成为有前景的选择
碳布材料如活化碳布(ACC)推动了纺织动力便携式电子设备的发展，但传统活化方法过程复杂、能耗高且存在环境健康问题
现有方法制备的赝电容材料通常需要长时间反应，无法提供优化结构所需的苛刻条件，容易导致团聚

研究方法

本研究采用新颖的两步高速热冲击(HTS)方法：

碳布预处理：将商业碳布(CC)浸入HNO₃和H₂SO₄混合酸溶液(1:1体积比)中48小时，然后用乙醇和去离子水彻底清洗，50°C空气中干燥24小时
初步活化：对预处理后的CC进行快速热冲击(约800°C，100ms，三次脉冲)，在充空气的手套箱中获得预活化碳布(PACC)
纳米颗粒合成：将金属盐前体溶液(如1.25 mol/L Co²⁺溶液150μL)滴加到PACC表面，然后施加HTS(约1000°C，100ms，三次脉冲)，将PACC/前体转化为PACC/TMO复合材料
后处理：用去离子水和乙醇彻底清洗产物，然后干燥

整个过程仅需约10秒，升温速率极快(200ms内达到1000°C)。

主要结论

成功开发了一种快速、高效的焦耳热合成方法，可在碳布上制备氧化物纳米颗粒电极材料
制备的PACC/Co₃O₄电极在0.2 mA cm⁻²下表现出408 mF cm⁻²的高比容量，在2 mA cm⁻²下保持97%的容量，并在20,000次循环后表现出优异的稳定性
该方法具有普适性，可扩展到其他过渡金属氧化物(如MnOₓ)，为超级电容器电极材料制备提供了简便、安全、环保的策略

材料表征与结果分析

图1展示了通过高速热冲击(HTS)初步活化CC和合成氧化物纳米颗粒的示意图：

分析：该示意图清晰展示了两步HTS过程：首先通过焦耳加热初步活化碳布，然后在活化的碳布上快速合成氧化物纳米颗粒。这种方法实现了碳布活化和活性材料负载的一体化完成，大大简化了制备流程。

超快焦耳热合成PACC/Co₃O₄电极

分析：图2展示了焦耳加热装置(a)、不同尺寸CC的温度曲线(b)、程序化脉冲(c)以及不同放大倍数下PACC/Co₃O₄复合材料的形貌结构(d-f)。结果显示，PACC纤维表面均匀覆盖着尺寸从几十到几百纳米的Co₃O₄纳米颗粒，形成了良好的复合材料结构。

PACC/Co₃O₄电极的结构表征

分析：图3通过TEM(a-b)、HR-TEM(c)、XRD(d)和XPS(e-f)等手段对材料进行了详细表征。结果显示Co₃O₄纳米颗粒具有介孔结构，晶格条纹间距2.44Å对应Co₃O₄的(311)晶面。XPS分析证实了Co²⁺和Co³⁺物种的共存，以及金属-氧键和缺陷氧的存在。

PACC/Co₃O₄电极的电化学性能

分析：图4展示了电极的CV曲线(a)、GCD曲线(b)、面积容量与电流密度关系(c)、Nyquist图(d)和循环性能(e)。PACC/Co₃O₄电极表现出优异的电化学性能：在0.2 mA cm⁻²下具有408 mF cm⁻²的高比容量，在10 mA cm⁻²电流密度下经过20,000次循环后仍保持84%的容量，显示出卓越的循环稳定性。

方法的普适性验证

分析：图5证明了该方法的普适性，成功合成了PACC/MnOₓ电极。XRD图谱显示存在Mn₂O₃和Mn₃O₄两种锰氧化物相。电化学测试表明，PACC/MnOₓ电极在0.2 mA cm⁻²下具有约456 mF cm⁻²的高比容量，在2.0 mA cm⁻²下仍保持71%的容量，证明该方法可扩展到其他过渡金属氧化物体系。