六氰基铁酸钴纳米粒子作为高速超稳定超级电容器电极材料

摘要

尽管最近投入了大量的努力来提高超级电容器的性能，但这些能量存储装置由于其工作电压有限，循环寿命不足和高制造成本而仍然达不到我们的期望。在这里，我们报道了六氰基铁酸钴（CoHCFe）纳米粒子的简易制备，其具有与普鲁士蓝类似的结构，但具有许多空的铁氰化物位点。在溶液中，CoHCFe表现出gt; 250F /g的比电容，优异倍率性能和5000次循环后电容保持率为93.5％的超高循环稳定性。此外，CoHCFe与炭黑改性石墨烯（mRGO）负电极配对以形成不对称超级电容器。它在0.5M Na₂SO₄中具有2.4V的宽工作电压，以及大的能量密度和功率密度。鉴于其高电化学性能，化学稳定性，环境友好性，易于制备和低成本，CoHCFe以及其他普鲁士蓝类似物在未来的能量储存应用中显然需要更多的关注。

关键词

六氰合铁酸钴，普鲁士蓝，不对称超级电容器，能量储存

随着全球经济的快速发展，化石燃料即将枯竭。人们一直致力于开发可持续能源和先进的能源储存技术。超级电容器由于其高功率密度和长周期寿命而作为新型能量储存装置已引起高度关注。这些积极的特性使它们在诸如需要高功率输送或吸收的应急电源系统等应用中很有前途。

针对超级电容器研究的典型电极材料包括碳质或聚合物材料，金属氧化物和氢氧化物。过去十年来取得了令人鼓舞的进展。尽管如此，一些问题仍然存在。延长其有限的工作电压，促进其能量/功率密度和循环寿命的不足以及降低制造成本仍然是一项巨大的挑战。另外，这些电极材料中的许多只能用于腐蚀性很强的电解液中，这些电解液很可能会对封口造成腐蚀损坏。因此开发在温和的中性电解质中可操作的电极材料是更理想的。迄今为止，很少有候选人可以满足这一重要标准，两个研究得很好的例子是基于碳的双电层电容器和基于MnOX的法拉第赝电容器。前者受到比电容相对较低的影响，而后者或多或少受其循环稳定性的限制。

铁（III）六氰基铁酸盐（II）或普鲁士蓝是已知最古老的合成化合物之一。 由于其高环境相容性和化学稳定性，它被广泛用作颜料或涂料。普鲁士蓝及其类似物具有独特的开放骨架结构，其化学通式为A h M k [Fe（CN）6] l·nH 2 O（其中A =碱金属阳离子，M =过渡金属阳离子）。最近，普鲁士蓝类似物已经作为电池电极材料被广泛研究。其表现出高的比容量和出色的循环稳定性。然而，就我们所知，其超级电容储能方面的潜力很少被探索。在这项工作中，我们制备了钴（II）六氰合铁（III）（CoHCFe）纳米粒子作为超级电容器电极材料，电解液为中性的Na2SO4电解液。这种化合物在高电流速率下表现出大的法拉第电容。 当与不对称超级电容器中的石墨烯基负极配对时，它提供了~2.4V的高工作电压，显着的能量/功率密度以及超高的循环稳定性。

为了合成CoHCFe，在剧烈磁力搅拌下将Co（NO 3）2的水溶液滴加到K 3 Fe（CN）6的水溶液中直到达到Co:Fe = 3：2的总摩尔比。在添加的过程中，反应立即进行，迅速形成不溶性的深紫色沉淀。将所得产物离心，重复用大量水洗涤，最后冷冻干燥。