第一作者：宋禹、劉田宇
通訊作者：劉曉霞、李軼
通訊單位：東北大學、美國加州大學圣克魯茲分校
研究亮點：
1. 向水熱溶液體系中引入葡萄糖制備了介孔氧化鐵贗電容電容器電極。
2. 氧化鐵電極上的介孔孔徑可在2-8 nm范圍內調控。
3. 載量高達10 mg cm-2時，最優氧化鐵電極在1 mA cm-2的電流密度下，面積電容高達1502 mF cm-2。
氧化鐵（Fe2O3）作為一種廉價、理論比電容高、對環境友好的贗電容材料倍受電化學能量存儲器件（如贗電容電容器）的青睞。
由于Fe2O3本身電荷（電子和離子）傳導性能極差，一旦大量堆積將喪失大部分電荷存儲能力。故而絕大部分已研發的Fe2O3-基贗電容電極材料中所含的Fe2O3質量常被控制在較低水平（如<1 mg cm-2）以減少電極材料厚度，從而縮短電荷傳遞距離來避免電荷存儲能力的丟失。然而低載量的電極材料難以滿足實際應用需求。通常活性物質在單位幾何面積電極表面上的負載量需要達到8-10 mg cm-2以上才具備商業化應用前景。
隨著材料科學及化學領域的不斷發展，介孔材料在儲能應用中具有諸多優勢：適當的介孔結構可為電解液中離子提供存儲空間，縮短電荷傳質距離，從而克服材料本身導電性差的缺點，大幅提升材料的倍率性能（rate capability）。但是由于制備技術的缺乏，用于贗電容電容器電極的介孔氧化鐵材料長久未見報道，使得有關介孔尺寸與贗電容材料電容性能關系的探究無從開展。
有鑒于此，東北大學劉曉霞教授、加州大學圣克魯茲分校李軼教授合作，在水熱溶液體系中引入葡萄糖制備了介孔大小可控的氧化鐵贗電容電容器電極。
圖1介孔氧化鐵制備流程及電鏡圖
圖1b和1c顯示FeOOH-G0.07中包含有大量碳化合物小區域。這些區域在后續空氣灼燒過程中將被燒掉而形成介孔（圖1c）。
從圖2可以看出，隨著葡萄糖濃度不斷增加，材料的介孔孔徑由<2 nm逐漸增加至約8 nm。最大孔容所對應的介孔尺寸逐漸從微孔區域擴大至~5.6 nm的介孔區域。
圖2加入不同葡萄糖濃度制備的氧化鐵材料的TEM圖像及氮氣吸脫附曲線
圖3 a-b表明Hem-G0.07（最大孔容所對應的介孔尺寸~3 nm）的電容性能最優。在1 mA cm-2的電流密度下，面積比電容達到1502 F cm-2，質量比電容為204 F g-1（載量5 mg cm-2）；當載量提升至10 mg cm-2，Hem-G0.07仍具備1.5 F cm-2的面積比電容。
圖3 不同氧化鐵材料的電化學性能
圖3c表明：1) 介孔氧化鐵材料相較于無介孔的氧化鐵納米棒材料具有更小的電荷傳導電阻，這是由于氧化鐵納米棒材料的密度較小，同等載量情況下納米棒的長度比介孔氧化鐵膜材料厚度大的多，使電荷傳導的路徑變長的緣故；2）介孔氧化鐵材料中，Hem-G0.07具有最小的電荷傳導電阻，這可能與其最大的比表面積有關。
通過比較圖3d中不同曲線的斜率可知當介孔尺寸由0增加至~3 nm時，離子傳導阻力明顯減小（斜率減小）。進一步增加介孔尺寸對離子傳導的影響微弱[Hem-0.07與Hem-G0.10的曲線斜率相近，并明顯小于其他介孔氧化鐵材料（圖3c和3d）]。
總之，本研究報道了介孔氧化鐵制備的新方法，獲得了介孔孔徑、孔容可調的氧化鐵材料，為制備高性能、高載量贗電容材料提供了借鑒。
參考文獻：
Song Y, Liu T, Li M, et al. Engineering of Mesoscale Pores in Balancing Mass Loading and Rate Capability of Hematite Films for Electrochemical Capacitors[J]. Advanced Energy Materials, 2018.
