将铁锈转化为微型超级电容器电极

来源：X一MOL资讯

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铁锈（Fe2O3）是铁经过水解作用的产物，通常被认为是废弃、有害的物质。然而，铁锈优异的化学物理稳定性使得其成为一种随处可见、稳定且廉价的材料。那么，有没有可能将这种被视为“废品”的物质用于服务未来可穿戴微型设备的储能元件——微型超级电容器的制备呢？近日，美国圣路易斯华盛顿大学的D’Arcy科研团队，结合了传统纳米制造工艺和基于铁锈的气相合成方法（Rust-based vapor phase polymerization, RVPP）（ACS Appl. Energy Mater., 2019, 2, 3435），以铁锈为氧化剂，制备了一种低成本、高能量密度的微型超级电容器。
近年来，随着可携带电子设备的微型化步伐逐渐加快，微型化的储能器件成为了科学研究的热点。目前微型储能器件包括微型电池和微型超级电容器。其中，微型超级电容器因其具有更高的功率密度，更长的使用寿命而受到青睐。遗憾的是，目前微型超级电容器的发展受到了严苛的生产环境（无尘室）、复杂的加工步骤（预构建3D结构模板）和低能量密度的制约。这很大程度上拖延了微型超级电容器的商业化应用以及可携带微型设备的发展。
圣路易斯华盛顿大学开发的基于3D结构的聚（3,4-乙烯基二氧噻吩）微型超级电容器很好的弥补了上述遗憾。众所周知，微型超级电容器需要在无尘室内完成制备和加工，这很大程度上增加了器件的生产成本。D’Arcy科研团队巧妙地利用了铁锈（Fe2O3）的稳定性以及其中所含的三价铁离子（Fe3+）的氧化性，在气相沉积铁锈层后，将原本需要在无尘室完成的合成加工流程搬到了普通的化学实验室，通过基于铁锈的气相聚合法（RVPP），一步合成出垂直定向生长的3D纳米纤维结构（纵横比100:1）的PEDOT电极。在制备出具有超高导电率（3580 S/cm）电极的同时也免去了预构建3D结构模板的成本（图1）。

图1. a, 合成流程图。b, 微型超级电容器照片。c, PEDOT电极电镜图。d, 微型超级电容器横截面电镜图。
得益于纳米纤维结构产生的超大电极表面面积以及超高的导电率，以此为电极的微型超级电容器的能量密度（400 F/cm3）超过了已知报道的有机化合物电极的微型超级电容器，甚至高于薄膜锂离子电池的能量密度。同时，该超级电容器展现了良好的循环稳定性（循环10000次后保有94%电容），优异的大电流承载电能力（50 V/s扫描速率），以及良好的温度适应性（60  ̊C仍可正常工作）（图2）。

图2. a, 能量比较图（Ragone Plot）。b, 恒电流充放电和循环伏安曲线。C, 循环伏安曲线。
此外，该文填补了对微型超级电容器电极材料的原位表征方法的空白，并为此设计了特殊结构。并且，文章中首次讨论了分形结构对于3D电极结构的微型超级电容器性能的影响（图3）。

图3. a, I-V 曲线图 （插图是为测量特殊设计的结构）。b, 四探针测量电导率。C, 交指型和分形型微型超级电容器。
该微型超级电容器的出现很好的缩小了微型电池和微型超级电容器能量密度的差距。此外，其低成本、高效的加工工艺极大程度上推动了微型超级电容器在未来可穿戴微型电子设备中的发展及应用。
这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，并选为内封底封面。文章的第一作者是圣路易斯华盛顿大学材料学在读博士研究生刁一凡。因该成果的高度可商业化潜力，该成果在圣路易斯华盛顿大学的LEAP创业大赛中获奖并获得50000美元的创业启动资金。