波浪形rGO/Cr2ZnS4复合材料的结构工程研究，旨在提升超级电容器的电荷存储性能

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Structural engineering of wavy rGO/Cr 2ZnS 4 composites for enhanced charge storage in supercapacitors

MIL-101(Cr)及其衍生物因三维多孔结构和可调化学性质被用于电化学储能，但导电性不足限制其实际电容表现。本研究通过模板法将rGO与Cr?ZnS?复合，解决导电性问题，实现1 A g?1下1322.8 F g?1高比电容，10,000次循环后保持率90.45%。组装为不对称器件时，能量密度77.51 Wh kg?1，功率密度749.89 W kg?1，循环保持率93.45%。揭示了二维/三维纳米结构协同效应提升储能性能的创新设计思路。

　　

胡振宇|杨宇|徐明琪|冷欣阳|杨宇彤|陈星宇|崔宇涵|梁晓园|唐彪|彭泰

中国黑龙江省佳木斯市佳木斯大学材料科学与工程学院，邮编154007

摘要

长期以来，金属有机框架MIL-101（Cr）及其衍生物被广泛用于光催化降解、光电转换和药物制造，而其在电化学储能方面的潜力却一直未被重视。MIL-101（Cr）由于其独特的三维多孔结构、高比表面积和可调的化学性质，具有传统电极材料无法比拟的优势。此外，将MIL-101（Cr）进一步衍生为过渡金属硫化物将是提高其理论比容量的更好选择。MIL系列材料固有的低导电性一直是限制其理论比容量与实际比容量统一性的主要因素。因此，引入导电基底材料GO可以有效缓解MIL-101（Cr）及其衍生物的低导电性问题。基于此，通过模板法制备了具有高比容量和高循环稳定性的rGO/Cr?ZnS?纳米复合材料。在三电极系统中，rGO/Cr?ZnS?作为超级电容器电极材料，在1 A g?1电流下可实现1322.8 F g?1的比容量，并在10,000次循环后仍保持90.45%的高容量保持率。当rGO/Cr?ZnS?与活性炭（AC）组装成不对称结构时，可在749.89 W kg?1的高功率密度下提供77.51 Wh kg?1的高能量密度；在10 A g?1电流下经过10,000次循环后，其容量保持率为93.45%。本研究揭示了电极设计方面的创新，其卓越的性能为储能和利用领域带来了重要进展。

章节摘要

引言

能源是支持人类社会可持续发展的基础资源。长期以来对传统化石能源（如煤、石油等）的大规模开发不仅导致资源日益枯竭，还引发了严重的环境污染和生态失衡[1][2][3]。因此，用可再生能源替代非可再生能源已成为当务之急。绿色、环保的能源发展至关重要。

材料与试剂

本研究中使用的DMF、无水乙醇、硝酸锌、苯并咪唑、硝酸铬、氧化石墨烯和氢氧化钾均为试剂级纯度。实验过程中始终使用去离子水，无需进一步纯化。

MIL-101（Cr）和GO/MIL-101（Cr）的制备

称取CrCl?·6H?O（0.533 g）和H?BDC（0.332 g），将其溶解在15 mL去离子水中，搅拌10分钟后转入特氟龙内衬的高压釜中，在210°C下加热24小时。反应完成后，得到...

材料表征

1a

展示了整个合成过程的步骤。rGO/Cr?ZnS?复合材料是通过高温碳化结合溶剂热法成功制备的。具体而言，首先通过硝酸铬与H?BDC在GO和DMF混合物中反应，生成MIL-101(Cr)/GO前体；随后在搅拌过程中，硝酸锌中的自由金属离子侵蚀MIL-101(Cr)骨架，形成...

结论

总结来说，以GO为基底、MIL-101（Cr）为牺牲模板的rGO/Cr?ZnS?复合材料通过简单的煅烧法和溶剂热技术成功制备，并被用作高性能超级电容器的电极。(Zn2?, Cr3?)之间的协同效应促进了丰富的氧化还原反应，而rGO/Cr?ZnS?的二维/三维多孔结构显著增加了其表面的活性位点数量。因此，rGO/Cr?ZnS?表现出优异的性能...

CRediT作者贡献声明

胡振宇：撰写初稿、方法论设计、数据分析、概念构建。 杨宇：方法论设计、数据分析。 徐明琪：数据分析、概念构建。 冷欣阳：数据分析、概念构建。 杨宇彤：资源获取、方法论设计。 陈星宇：数据分析。 崔宇涵：撰写修订稿、方法论设计、实验研究、数据分析、数据整理、概念构建。 梁晓园：资源获取、实验研究、数据分析。 唐彪：实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了黑龙江省自然科学基金（项目编号：ZD2024E002）的支持。