創(chuàng)新點：揚州大學(xué)龐歡教授和南京信息工程大學(xué)張一洲教授課題組利用3D打印技術(shù)和材料特性構(gòu)建層狀結(jié)構(gòu)，通過控制Co3O4量子點的數(shù)量來優(yōu)化層狀電極的孔隙結(jié)構(gòu)和氧化活性位點，有效地補償表面或近表面機制對固態(tài)電化學(xué)性能的影響。

關(guān)鍵詞：Advanced Science，3D打印微超級電容器，液晶復(fù)合材料， 有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)

微型超級電容器 (MSCs)是一種極具發(fā)展前景的平面電化學(xué)儲能器件，因其優(yōu)異的電化學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。然而，由于表面或近表面機制導(dǎo)致的低工作電壓和低容量嚴重阻礙了它們在電化學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展。研究表明，通過3D打印碳基材料骨架和電沉積在打印電極表面生長金屬氧化物可以有效改善材料的贗電容特性。然而，這個過程是復(fù)雜的，并且受溶劑的限制。因此，必須確定合適的3D打印材料來插入和構(gòu)建合適的電極結(jié)構(gòu)。MSCs通常以對稱和非對稱兩種形態(tài)出現(xiàn)。由于水分裂，對稱MSCs具有有限的器件電壓。為了避免這些限制并提高能量存儲性能，構(gòu)建具有3D結(jié)構(gòu)的非對稱MSCs是一種很有前途的方法。

揚州大學(xué)龐歡團隊和南京信息工程大學(xué)張一洲團隊利用具有液晶特性的墨水在電極內(nèi)部構(gòu)建了層狀結(jié)構(gòu)，并通過控制Co3O4量子點的數(shù)量來優(yōu)化層狀電極的孔隙結(jié)構(gòu)和氧化活性位點。Co3O4量子點分布在電極表面的孔隙中，Co3O4量子點的插入可以有效地彌補表面或近表面機制的局限性，從而有效地改善了3D打印MSCs的贗電容特性。3D打印的MSC具有較高的面積電容和能量密度。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Science上。

近表面或表面機制對電化學(xué)性能的影響(較低的比電容密度)阻礙了3D打印微型超級電容器(MSCs)的發(fā)展。合理的印刷電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性和合適的嵌入材料可以有效地補償表面或近表面機制的影響。利用Co3O4 QD、氧化石墨烯、CNTs和V2O5 NWs通過擠壓3D打印制備了納米復(fù)合墨水，用作MSCs電極。成功地在電極的內(nèi)層中構(gòu)造了一種具有液晶特性的墨水。碳納米管和氧化石墨烯作為導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑可以有效提高MSCs電極的導(dǎo)電性，進一步提高其電化學(xué)性能。具有液晶性質(zhì)的V2O5 NWs活性材料有利于可控層狀結(jié)構(gòu)的形成。具有贗電容特性的0D Co3O4 QD的加入，可以在不改變可打印流變特性的情況下，將其插入互連的多孔結(jié)構(gòu)中，有效降低表面或近表面對電化學(xué)性能的影響，有利于進一步提高電極的電化學(xué)性能。研究了Co3O4 QD對混合油墨的液晶性能、電極結(jié)構(gòu)、流變力學(xué)和電化學(xué)性能的影響。通過改變Co3O4 QD的插入量來調(diào)整層狀電極的孔隙結(jié)構(gòu)，表面孔隙和氧化活性位點協(xié)同優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，進一步提高電化學(xué)性能。此外，與其他0D非金屬氧化物碳電極的性能相比，Co3O4 QD插入電極的層狀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)越的電化學(xué)活性。這可歸因于添加了Co3O4 QD贗電容材料，提高了電容。此外，通過控制層狀結(jié)構(gòu)中Co3O4 QD的插入量和調(diào)節(jié)層狀結(jié)構(gòu)的密度，由于電荷的增加和電極間離子傳輸?shù)脑黾樱琈SCs的電導(dǎo)率得到了提高。此外，量子點的嵌入可以調(diào)節(jié)電極表面的孔隙結(jié)構(gòu)，從而減少表面和近表面機制對MSCs電容和能量密度的不利影響，有效提高其電化學(xué)性能。結(jié)果證實了材料性能、電極結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料嵌入對EESE發(fā)展的重要意義。本研究為下一代高性能3D打印能源材料的開發(fā)、器件結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、性能的調(diào)整和提升提供了新的研究方向和指導(dǎo)。

WILEY

論文信息：

Co3O4 Quantum Dots Intercalation Liquid-Crystal Ordered-Layered-Structure Optimizing the Performance of 3D-Printing Micro-Supercapacitors

Huijie Zhou, Yangyang Sun, Hui Yang, Yijian Tang, Yiyao Lu, Zhen Zhou, Shuai Cao, Songtao Zhang, Songqing Chen, Yizhou Zhang, Huan Pang*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202303636

Advanced

Science

期刊簡介

Advanced Science 是Wiley旗下創(chuàng)刊于2014年的優(yōu)質(zhì)開源期刊，發(fā)表材料科學(xué)、物理化學(xué)、生物醫(yī)藥、工程等各領(lǐng)域的創(chuàng)新成果與前沿進展。期刊為致力于最大程度地向公眾傳播科研成果，所有文章均可免費獲取。被Medline收錄，PubMed可查。最新影響因子為17.521，中科院2021年SCI期刊分區(qū)材料科學(xué)大類Q1區(qū)、工程技術(shù)大類Q1區(qū)。

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