当今，全球正面临严重的能源危机，因此如何储存和有效利用风能、太阳能和潮汐能等不可预测的可再生绿色能源成为至关重要的问题。随着储能技术的不断发展进步，人们希望将这些绿色能源整合到智能电网中，重塑能源结构，解决环境危机。其中，钠离子电容器（SICs）因钠资源丰富、成本低和性能好而备受瞩目。然而，SICs的进一步发展受到了阴极和阳极之间不平衡的电化学动力学的制约。因此，为了克服这一挑战，迫切需要开发具备快速电化学动力学的电极材料。

近日，北部湾大学晁会霞博士与阿德莱德大学张金强研究员在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊上发布了题为“Carbon nanofibers confined polyoxometalate derivatives as flexible self-supporting electrodes for robust sodium storage”的最新研究成果。研究人员通过静电纺丝工艺和一步热转化技术成功制备出了高性能的自支撑柔性储钠电极。相对于现有用于能源储存的POM复合材料，该多金属氧酸盐衍生物(POMs-D)@碳纳米纤维(CNFs)复合材料提供了更快的动力学性能和更长的充放电循环稳定性。

首先，POMs-D为多金属化合物，具有良好的赝电容特性；其次，在复合材料中POMs-D与CNF相互作用，形成了内部电场，促进了电子传输和离子传输的加速。再者，由于CNF提供的柔性保护层，POM-D在放电和充电过程中表现出更强的结构稳定性。因此，在应用过程中POM-D@CNFs柔性自支撑电极表现出了高赝电容特性，优异的倍率性能和循环稳定性，为SICs在规模储能中的应用带来了前景。

图1  POMs-D@CNFs电极材料的合成与表征。

采用静电纺丝和一步热转换策略制备POMs-D@CNFs电极的流程如图1a所示。SEM图像（图1b）证明了所制备的POMs-D@CNFs材料保持完好纳米结构和尺寸，表明POM的热解过程对PAN的聚合无影响，且POM的衍生物（POM-D）被纳米纤维包覆（图1c）。HRTEM图像（图1d）显示晶格条纹的间距为0.27 nm，归因于单斜MoO2的111平面，表明CNFs中的碳元素还原了POM-550中Mo元素。HAADF-STEM图像表明了C（图1f）和N（图1g）元素在样品中均匀分布，而Mo（图1h）和Fe（图1i）元素集中在衍生物颗粒上。以上数据表明POM-D被成功的封装在碳纳米纤维内。

图2  POMs-D@CNFs的结构表征。

POMs-D@CNFs和CNFs的XRD图谱(图2a)显示，碳在POMs-D@CNFs的15.9°和22.4°处的衍射峰强度明显增强，且向低角度偏移，表明铁元素的加入提高了碳纳米纤维的结晶度，并扩大了碳晶格的层间距，有利于加快离子的输运。在拉曼谱图（图2b）中，仅可以观察到复合材料中碳元素的峰，该结果进一步印证了POM-D被完全封装在碳纳米纤维内。此外，当POMs与CNFs复合时，XPS光谱（图2c-d）测试表明复合材料中Mo 3d和Fe 2p的峰向较低结合能移动，而N1s的峰（图2e）向较高的结合能移动，C1s的峰位置无变化（图2f）。其中，吡咯-N的位移比吡啶-N的位移更明显，表明在所制备的复合材料中电子转移主要发生在金属和吡咯-N之间，表明在POMs-D@ CNF的界面处存在从CNF指向POMs-D的内建电场。

图3  POMs-D@CNFs的钠储存性能。

POMs-D@CNF和CNF的b值（图3b）均大于0.9（由图3a的数据计算），表明其钠存储过程均以电容控制为主。在不同扫描速率下，POMs-D@CNF和CNF的电容贡献均保持在80%以上（图3c），即使在0.2 mV s^-1的低扫速下，POMs-D@ CNF电容贡献仍高达81.8%（图3d）。当电流密度增加40倍时（图3e），POMs-D@ CNF的电容保持率为55%，且当电流密度从4.0降至0.1 A g^-1时，POMs-D@ CNF的比容量能恢复至更高的容量，表明该电极具有优异的倍率性能。在0.1 A g^-1下，经100次充放电循环后，POMs-D@CNFs的容量保持率大于100%（图3f）；即使在3.0 A g^-1大电流密度下，经8000次循环后，其容量保持率仍为100%（图3g），表明该电极具有优异的充放电循环稳定性。

图4  钠离子电容器的性能。

将POMs-D@CNFs与商用活性炭（AC）组装成SICs。CV测试显示（图4a）SICs中的阴极、阳极和SIC的均表现出典型的电容行为，且SIC的GCD曲线（图4b）在不同电流密度下均表现出对称的和接近直线性的三角形形状，表明SICs具有良好的可逆性和电容行为。三电极测试结果（图4c）表明POMs-D@CNFs阳极与AC正极之前具有较好的电压匹配关系，且在400、2000、4000、8000和16000 W kg-1的功率密度下，SICs可分别提供出193.0、128.6、84.5、46.5和30.2Wh kg-1的能量密度（图4d）。在1.0 A g^-1电流密度下，经3000次充放电循环后，SICs的容量保持率（图4e）大于80%，表明POMs-D@CNFs与商用活性炭（AC）组装的SICs循环稳定性良好，具有一定的应用前景。

综上所述，该文成功的开发一种新组合技术，可将POM的衍生物完美的嵌入到CNF中，设计并制备出了高性能柔性自支撑电极，该电极在钠存储中具有优异的应用性能。该研究成果为推动钠离子电容器的在规模储能中的应用奠定了良好的基础。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.09.178

人物简介：

晁会霞，北部湾大学石油与化工学院能源化工教研室专任教师。主要从事炼油化工催化剂及相关工艺技术研究，储能电极材料的研发及应用，化工模拟技术的应用研究。主持国家自然科学基金1项，省部级项目2项，市厅级项目2项，近五年共获授权发明10余项，发表SCI论文9篇，核心期刊论文5篇，指导大学生国家级大创2项，省部级大创项目2项，指导大学生化工设计大赛获国家二等奖2项，三等奖9项。

张金强，澳大利亚阿德莱德大学博士后研究员（导师：王少彬教授）。主要从事太阳能催化技术进行能源制备及环境处理。迄今以第一作者出版书籍章节两章，在Angew. Chem. Int. Ed., Mater. Today, ACS Nano, ACS Catal., Appl. Catal. B: Environ., Nano Energy等期刊发表论文80余篇（包括1篇热点文章和3篇ESI高被引文章）。引用2600 余次，H因子29。 为SCI期刊“Polymers” (IF: 4.97) 和 “Crystals” (IF: 2.67) 特刊客座编辑，担任中国化学会“Chinese Chemical Letters”(影响因子：8.455)，德国Wiley旗下 “Exploration”及清华大学出版“Nano Research Energy”青年编委。RSC Energy Advances新锐青年科学家称号。