拓撲化學(xué)驅(qū)動合成具有弱范德華力的過渡金屬硒化物，實現(xiàn)高性能3D打印鈉離子混合電容器

來源：江南大學(xué)

日益發(fā)展的便攜式電子設(shè)備迫切需要能夠與之相匹配的高性能儲能設(shè)備。在眾多類型的儲能器件中，鈉離子混合電容器集成了鈉離子電池和鈉離子超級電容器的優(yōu)勢，能夠同時實現(xiàn)高能量密度、高功率密度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，開發(fā)高性能鈉離子混合電容器的關(guān)鍵是解決電池型電極中緩慢的離子反應(yīng)動力學(xué)與電容器型電極中快速離子吸附/解吸過程之間動力學(xué)不平衡的問題。為此，急需開發(fā)具有優(yōu)異電子傳導(dǎo)和快速離子遷移能力的鈉離子電池電極材料。此外，先進的增材制造技術(shù)在提升儲能器件性能方面可發(fā)揮至關(guān)重要的作用。其中，基于擠出式的3D打印技術(shù)已被證明是一種簡便且通用的電極制備方法。然而，如何實現(xiàn)多組分油墨之間的良好兼容性以最大程度提高3D打印混合電容器的能量密度和功率密度一直是該領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。

鑒于此，江南大學(xué)納米復(fù)合與能源材料研究中心劉天西教授課題組通過拓撲化學(xué)驅(qū)動合成的策略，將聚乙烯吡咯烷酮分子鏈配位介入二維硒化錸，形成金屬-聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)（E-ReSe2@PVP MPG）。通過不同溫度退火處理成功構(gòu)建了具有強耦合界面和弱范德華力的氮摻雜碳插入的擴層二維硒化錸復(fù)合材料（E-ReSe2@INC），并通過一系列表征動態(tài)追蹤了異質(zhì)界面處Re-O鍵到Re-C鍵的配位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。通過實驗結(jié)果和理論模擬均發(fā)現(xiàn)，將E-ReSe2@INC作為鈉離子混合電容器電極材料時，異質(zhì)界面處的Re-C鍵實現(xiàn)了可控的界面耦合效應(yīng)；同時可以作為電子的傳輸通道，大大提高了電極的電導(dǎo)率并加速了相應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)過程。此外，INC層起到了支撐作用，因此擴大的ReSe2層間距實現(xiàn)了納米片層間的弱范德華力，這有助于改善儲能過程中鈉離子的擴散行為和保證電極材料良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。基于上述結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，E-ReSe2@INC電極材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。此外，將E-ReSe2@INC用做3D打印墨水添加劑，成功制備得到了3D打印鈉離子混合電容器，表現(xiàn)出優(yōu)異的能量和功率密度，并且可以在較寬的溫度范圍下使用。

拓撲化學(xué)驅(qū)動合成具有弱范德華力的過渡金屬硒化物的設(shè)計原理及在3D打印鈉離子混合電容器的應(yīng)用