近日，吉林大学材料科学与工程学院低维材料课题组在过渡金属基复合材料的水系超级电容器/电池方面取得进展。研究成果以“Bi-interlayer Strategy for Modulating NiCoP-based Heterostructure towards High-performance Aqueous Energy Storage Devices”为题，发表在《Advanced Materials》杂志上。

层次化电极材料的设计与制备是实现高性能水系电化学储能设备（超级电容电池/锌电池）的关键。镍钴磷化物（NCPs）具有高电化学活性，因此在水系能量存储设备的电极材料方面被认为是有潜力的候选者。然而，NCPs的实际比容量和倍率性能需要进一步改。异质结构工程能够有效改善NCPs的电化学性能。对于先进应用而言，通过选择复合材料和设计异质结构来增强NCPs的电子和离子传输动力学是非常必要的。此外，在电极上均匀沉积活性物质的NCPs对于电解液中离子迁移到电极以及由此产生的电化学反应动力学至关重要。因此，亟需开发一种方法，既能为NCPs构建适当的异质结构，又能调节其沉积过程。

在这项研究中，设计并制备了一种新型的铋（Bi）中间层，该中间层改变了碳布(CC)表面化学状态，调节了后续活性物质电沉积过程的动力学，以确保集流体表面形成均匀、连续和高负载量的活性物质，实现有效的电荷和离子传输。

图1 (a)原始碳布(CC)和(b) CC/BiOI的SEM图像。(c) CC和(d) CC/BiOI的接触角测试。(e) CC和CC/BiOI的Zeta电位。(f) Nyquist图和(g)实部(Z´)vs.中频范围内频率平方根的倒数(ω^−0.5)(h)镍钴氢氧化物前驱体(NC-p)电沉积过程中的i - t曲线和(i)电流密度- t^−1/2曲线。(j)电沉积前CC/BiOI和电沉积后的CC/Bi-NC-p的XRD图谱。(k)电沉积NC-p示意图。

与此同时，通过实验表征与密度泛函理论(DFT)计算结合，表明Bi和镍钴磷化物间形成有利于碱性条件下电化学储能的内置电场(IEF)，异质结构的存在促进了电荷的转移和在分布和OH⁻离子的吸附与迁移，分析了构建层次化异质结构提升电极整体比容量和倍率性能的内在原因。开发出的具有双重作用的铋中间层策略同时考虑了中间层对外层电沉积动力学和异质结构的电化学性能两方面影，且具有一定普适性这样的设计理念可以帮助未来发展先进电化学储能器件中的层次化/复合电极。

图2. (a) NiCoP、CoP和Bi的费米能级图解。(b) CoP和Bi-CoP异质结构的原子结构模型。(c) Bi-CoP异质结构界面的电荷密度差(黄色区域表示电荷积累，绿色区域表示电荷耗尽)。(d) CoP和Bi-CoP的TDOS。e) OH在CoP和Bi-CoP中的吸附能。(f) CC/NCP和CC/Bi-NCP-2的电阻率特性。

吉林大学材料科学与工程学院材料物理与化学专业2020级博士研究生徐简和2019级本科生巩喜良（现马里兰大学博士研究生）为该论文的共同第一作者，通讯作者为吉林大学材料科学与工程学院低维材料课题组田宏伟教授、郑伟涛教授。该工作得到了吉林省自然科学基金和南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室开放基金的资助。

论文详情：J.Xu^#,X.L.Gong^#,Z.S.Meng,P.Y.Chen,Y.X. Li,T. Deng, D. Wang, Y. Zeng, X.Y. Hu, S.S. Yu,H.W. Tian^*,Z.Q. Niu, W.T. Zheng^*,Bi-interlayer strategy for modulating NiCoP-based heterostructure toward high-performance aqueous energy storage devices,Advanced Materials, 2024, 10.1002/adma.202401452.

论文全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202401452