英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

1引言

全世界的科学家和工程师最重要的一个任务是发展一种可持续可再生的能源，来满足迅速增长的全球能源消耗与气候变化的关键问题。[1-4]有许多可再生自然资源,如太阳能、风能、水力和地热,它们可用于产生能量。[5.6] 然而,这些能源是时间间歇性并且空间分布局部的,使能源生产很难与全球能源需求的模式相匹配。超级电容器,一类新的能源存储设备（也称为非法拉第电能存储设备，可以暂时储存大量的充电能源，然后在需要的时候释放他们）由于它们的高功率密度，快速充电/放电率、长循环寿命和高可靠度，因此已经备受关注。是正在逐步实用化的低碳经济储能产品,它是一种兼备电容和电池的新型元件,可为动力系统提供更大的启动功率和启动转矩,应对启动尖峰功率的需求,其在电力、铁路、绿色能源、军品、航空航天、后备电源等领域都具有极其重要的应用价值。超级电容器的研究,从根本上讲是寻找比表面积大且可以被充分利用的电极材料。传统炭材料一直不能同时兼顾比表面积和比表面积利用率,从根本上影响了超级电容器能量密度和功率密度的同时提高,给超级电容器的大规模应用带来了技术瓶颈。因此,提高超级电容器综合性能的关键在于寻找高性能的电极材料。石墨稀从2004年被发现以来,短时间内在国内外已经成为研究的热点,它比表面积巨大、表面开放、导电导热性能高是超级电容器电极材料的最佳候选者。从技术可行性以及实际应用角度看,基于石墨烯的超级电容器的研究符合国际前沿科技的发展趋势,超级电容器技术的成熟及普遍应用将直接减少能源损耗,间接减少环境的污染。[7-13]然而,超级电容器的能量密度远低于电池。[14-16]超级电容器的能量密度(E)取决于电池电势(V)和电容 (C), E = 2^minus;1CV²。[14-16]超级电容器的能量密度(E)取决于电池电势(V)和电容 (C), E = 2^minus;1CV²。^[1,8,23-33]

过渡金属氧化物与由用碳基电极活性材料作为电极的双电层电容器传输的能量密度相比可以提供更高的能量密度。 因此,过渡金属氧化物由于它的赝电容有多个氧化态可以候选使用而被广泛的研究^{[34–40 ]}最近,二元金属氧化物已经被报道证明，由于其可能的氧化态和高导电性,比如NiCo₂O₄,^[41-43]ZnCo₂O₄,^[44]Zn₂SnO₄,^[45]NiMoO₄ ,^[46]和CoMoO₄。所以比单组分氧化物有更好的性能。^[46，47]二元金属氧化物由于其低成本、环境友好和丰富，已经逐渐被视为是承诺有效并且可伸缩的替代品。但是,如何提高其导电性并且在纳米尺度上充分发挥活性材料的优势，在实际应用方面仍然是一个重大的挑战。

三维(3D)石墨烯连续相互关联的大孔结构,具有大的表面积,低的质量密度和高导电性。^[48，49]三维多孔结构对于制造单片复合电极和混合电极的支架是理想的。^[50，51]所有以前的实验结果表明,无机电化学活性纳米材料有直接成核的和生长三维石墨烯表现出比活性石墨烯纳米材料更加优越的电化学性能(见表S1,支持信息)和单层结构材料。^{[ 52,53 ]} 循循环性能对于电化学超级电容器是非常重要的。然而,传统复合材料的稳定性，并不能满足实际要应用在成千上万的充放电循环的要求，如纳米纤维或石墨烯上的纳米片作为超级电容器的电极材料。因此,具有高稳定性的金属氧化物纳米材料表面的三维石墨烯的新结构的构建是作为超级电容器的电极材料可以工业化的关键。

在数百万年的自然选择当中，能生存的生物结构通常是最合适最有效的那一类。有效地模仿这些自然结构用许多可行的方法来改善我们的日常生活^[54]蜂窝在本质上是由一个微妙的结构组成的小六角形细胞来为蜜蜂储存蜂蜜,幼虫和花粉的。^[55]蜂窝结构具有最紧密的几何堆积,允许用最少的材料，以低材料成本到达减轻重量的目的,同时提供最小密度和相对高出平面的压缩性能和在平面的弹性性能。模仿自然的蜂窝结构启发我们去开发新型复合材料,以实现具有大的有效接触区域和稳定的循环性能的超级电容器。Dai et al. 已经证明了无机纳米碳混合材料与碳石墨烯或碳纳米管的强烈结合,可以被安全使用并且使超级电容器的成本低。^[1,56,57]

在这项研究中,我们为了增加新型蜂巢状的(NHC)CoMoO₄与三维石墨烯泡沫强耦合，提出了一个简单的、划算并且产业兼容的策略。^[1]这个新的纳米蜂窝样的强耦合CoMoO₄三维石墨烯混合(NSCGH)作为超级电容器电极材料被研究。电化学测量表明,该NSCGH电极表现出极好的比电容，在电流密度分别为 1.43,2.43,5.00,9.28,12.8,15.71,22.85,35.71和85.71A/g(水溶液在0到0.9 V的潜在范围(与标准Hg/HgO电极))下分别高达2741,2329,2098,1882,1746,1585,1488,1348和1101 F/g。此外,100年以后在电流密度为400 A/g的室温下100000次循环之后,NSCGH电极可以保留96.36%的初始比电容。然后,我们把两个非对称超级电容器NSCGH和活性炭作为两个电极和对称超级电容器组合起来，NSCGH作为实际应用的两个电极。我们发现这种非对称超级电容器可以分别在功率密度为600 W/kg,传输高能量密度为42.2 Wh/kg和高功率密度的12000 W/kg，传输高能量密度为7.17 Wh/kg 进行传输。水对称超级电容器基于NSCGH(电极)比非对称超级电容器具有更高的能量密度(29 Wh/kg 36 000 W/kg的功率密度)。随着充放电循环到10000次,非对称超级电容器仍然保持87.42%的初始比电容。

参考文献：

[1] H. Wang , H. Dai , Chem. Soc. Rev. 2013 , 42 , 3088 .

[2] E. A. Rosa , T. Dietz , Nature Clim. Change 2012 , 2 , 581 .

[3] J. Murray , D. King , Nature 2012 , 481 , 433 .

[4] S. Chu , A. Majumdar , Nature 2012 , 488 , 294 .

[5] M. Armand , J. M. Tarascon , Nature 2008 , 451 , 652 .

[6] J. M. Tour , C. Kittrell , V. L. Colvin , Nature Mater. 2010 , 9 , 871 .

[7] A. G. Pandolfo , A. F. Hollenkamp , J. Power Sources 2006 , 157 , 11 .

[8] S. R. C. Vivekchand , C. Rout , K. S. Subrahmanyam , A. Govindaraj ,C. N. R. Rao , J. Chem. Sci. 2008 , 120 , 9 .

[9] Y. Zhu , S. Murali , M. D. Stoller , K. J. Ganesh , W. Cai , P. J. Ferreira ,A. Pirkle , R. M. Wallace , K. A. Cychosz , M. Thommes , D. Su ,E. A. Stach , R. S. Ruoff , Science 2011 , 332 , 1537 .

[10] A. Manthiram , A. Vadivel Murugan , A. Sarkar , T. Muraliganth , Energy Environ. Sci. 2008 , 1 , 621 .

[11] S. Biswas , L. T. Drzal , Chem. Mater. 2010 , 22 , 5667 .

[12] L. Cao , F. Xu , Y. Y. Liang , H. L. Li , Adv. Mater. 2004 , 16 , 1853 .

[13] C. Liu , Z. Yu , D. Neff , A. Zhamu , B. Z. Jang , Nano Lett. 2010 , 10 ,4863 .

[14] J. Chmiola , G. Yushin , Y. Gogotsi , C. Portet , P. Simon , P. L. Taberna ,Science 2006 , 313 , 1760 .

[15] A. S. Arico , P. Bruce , B. Scrosati , J.-M. Tarascon , W. van Schalkwijk ,Nature Mater. 2005 , 4 , 366 .

[16] A. Burke , J. Power Sources 2000 , 91 , 37 .

[17] A. K. Cuentas-Gallegos , R. Martiacute;nez-Rosales , M. Baibarac ,P. Goacute;mez-Romero , M. E. Rincoacute;n , Electrochem. Commun. 2007 , 9 ,2088 .

[18] K. T. Chau , Y. S. Wong , C. C. Chan , Energy Convers. Manage. 1999 ,40 , 1021 .

[19] J. Robertson , Mater. Today 2004 , 7 , 46 .

[20] D. Kalpana , N. G. Renganathan , S. Pitchumani , J. Power Sources 2006 , 157 ,621 .

[21] J.-H. Sung , S.-J. Kim , K.-H. Lee , J. Power Sources 2003 , 124 , 343 .

[22] G. Wang , L. Zhang , J. Zhang , Chem. Soc. Rev. 2012 , 41 , 797 .

[23] H. Y. Jung , M. B. Karimi , M. G. Hahm , P. M. Ajayan , Y. J. Jung , Sci.Rep. 2012 , 2 .

[24] S. Kondrat , C. R. Perez , V. Presser , Y. Gogotsi , A. A. Kornyshev ,

Energy Environ. Sci. 2012 , 5 , 6474 .

[25] X. Lang , A. Hirata , T. Fujita , M. Chen , Nature Nanotech. 2011 , 6 ,232 .

[26] H. B. Li , M. H. Yu , F. X. Wang , P. Liu , Y. Liang , J. Xiao , C. X. Wang ,Y. X. Tong , G. W. Yang , Nature Commun. 2013 , 4 , 1894 .

[27] Y. Sun , Q. Wu , G. Shi , Energy Environ. Sci. 2011 , 4 , 1113 .

[28] H. Wang , Y. Liang , Y. Li , H. Dai , Angew. Chem. Int. Ed. 2011 , 50 ,10969 .

[29] Z.-S. Wu , Y. Sun , Y.-Z. Tan , S. Yang , X. Feng , K. Muuml;llen , J. Am. Chem.Soc. 2012 , 134 , 19532 .

[30] L. Zhang , F. Zhang , X. Yang , G. Long , Y. Wu , T. Zhang , K. Leng ,Y. Huang , Y. Ma , A. Yu , Y. Chen , Sci. Rep. 2013 , 3 .

[31] L. L. Zhang , X. S. Zhao , Chem. Soc. Rev. 2009 , 38 , 2520 .

[32] K. Gopalakrishnana , K. Moses , A. Govindaraj , C. N. R. Rao , Solid State Comm. doi: org /10.1016/j.ssc.2013.02.005 .

[33] C. N. R. Rao , A. K. Sood , K. S. Subrahmanyam , A. Govindaraj ,Angew. Chem. Int. Ed. 2009 , 48 , 7752

[34] T. Brousse ,

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[31857]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word