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Anion and cation substitution in transition-metal oxides nanosheets for high-performance hybrid supercapacitors

材料科学 超级电容器 纳米片 过渡金属 钴 电容 纳米技术 无机化学 化学工程 电化学 电极 有机化学 物理化学 催化作用 冶金 化学 工程类
作者
Jinghua Li,Zaichun Liu,Qiaobao Zhang,Yong Cheng,Bote Zhao,Shuge Dai,Hong‐Hui Wu,Kaili Zhang,Dong Ding,Yuping Wu,Meilin Liu,Ming‐Sheng Wang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:57: 22-33 被引量:327
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2018.12.011
摘要

Abstract Anion and cation substitution is an effective way in modulating electrochemical properties of electrode materials to achieve enhanced performance. Herein, we report our finding in the fabrication of advanced binder-free supercapacitor electrodes of hierarchical anion- (phosphorus-) and cation- (zinc- and nickel-) substituted cobalt oxides (denoted as ZnNiCo-P) architectures assembled from nanosheets grown directly on Ni foam. In contrast to the reference Co-P systems, the as-prepared electrode manifests a markedly improved electrochemical performance with a high specific capacity of ~ 958 C g−1 at 1 A g−1 and an outstanding rate capability (787 C g−1 at 20 A g−1) due to its compositional and structural advantages. Density functional theory calculations confirm that the Co species partially replaced by Zn/Ni and O species by P can simultaneously improve the charge transfer behavior and facilitate the OH- adsorption and deprotonation/protonation reaction process. Moreover, an aqueous hybrid supercapacitor based on self-supported ZnNiCo-P nanosheet electrode demonstrates a high energy density of 60.1 Wh kg−1 at a power density of 960 W kg−1, along with a superior cycling performance (89% of initial specific capacitance after 8000 cycles at 10 A g−1 is retained). These findings offer insights into the rational design of transition metal compounds with multi-components and favorable architectures by manipulating the cations and anions of metal compounds for high-performance supercapacitors.
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