超電家族新材料——二維硅氧烯納米片

【 研究背景 】

☆ 儲能材料及器件的發展

如今隨著能源消耗需求和化石燃料危機的日益增長，推動了高性能儲能和輸送系統的發展。超級電容器或電化學電容器因其具有高功率密度、高倍率性能和長循環壽命而成為儲能設備的理想選擇。為了提高超級電容器的能量/功率比，研究人員一直致力於新型電極材料的設計和開發，二維材料在下一代儲能設備的發展中受到了極大的重視。自石墨烯出現以來，已開發出多種二維材料，包括過渡金屬二鹵代物(TMDs)，如二硫化鉬、二硫化釩、二錫化鉬、二硫化鈦以及MXenes等，目前正在對這些材料的儲能性能進行研究。這些材料用於超級電容器和電池的基本電荷儲存特性在過去的十年里已經被研究過了，但是由於目前硅基材料直接集成的局限性，這些材料在片內儲能微器件中的作用仍然值得懷疑。為了解決這一問題，有必要開發一種可與目前硅(Si)製造技術兼容的替代材料。

☆ 硅氧烯是什麼？

結構：硅氧烯材料的化學式為Si6OxHy(OH)6-y（其中1≤x≤6，1≤y≤6），材料具有Si-O-Si鍵、Si-H鍵和Si-OH鍵。現如今已報道的文獻中已經提出了硅氧烯的不同化學結構，例如Weiss結構——(Si6(OH)3H3（其中在Si6環的表面上交替存在Si-H和Si-OH鍵）、鏈狀硅氧烯結構(Si平面內嵌入氧形成Si線)和Kautsky結構——Si6O3H6(其中Si6環通過Si-O-Si橋連接)。

應用：Deak等人證明，氧在平面硅基體中的摻入會產生量子限域效應，而量子限域效應是其發光的原因，關於硅氧烷片的理論研究表明了其在太陽能轉換轉換方面的應用前景。在沒有犧牲試劑的情況下，硅氧烷納米片也可以作為一種無金屬半導體，用於高效的水裂解反應。同樣，硅氧烯片及其鈣橋複合物是鋰離子電池中一種優良的鋰存儲負極材料。

【 圖表詳情 】

☆ 硅氧烯製備

圖一 硅氧烯納米片製備示意圖

(a) CaSi2的結構示意圖；

(b) 通過拓撲化學反應將CaSi2轉化為硅氧烯的結構示意圖；

(c) 製備得到的硅氧烯結構示意圖。

☆ 硅氧烯結構表徵

圖二 硅氧烯納米片物理化學性質

(a) 硅氧烯納米片的XRD圖譜；

(b) 硅氧烯納米片傅里葉變換紅外光譜；

(c,d) 硅氧烯納米片的Si 2p和O 1s態XPS圖譜。

☆ 硅氧烯形貌和內部結構缺陷表徵

圖三 硅氧烯納米片的表面形貌和元素分析

(a) 硅氧烯納米片的高分辨透射圖；

(b,c) 硅氧烯納米片的Si元素以及O元素的分布表徵；

(d,e) 硅氧烯納米片的高倍高分辨透射圖；

(f) 硅氧烯納米片的原子力顯微鏡圖。

圖四 硅氧烯納米片的拉曼分析

(a) 硅氧烯納米片的激光拉曼圖；

(b,c,d) 硅氧烯納米片在495 cm-1和525 cm-1處對應Si-O鍵和Si-Si鍵的激光拉曼圖，以及兩者峰強比。

☆ 硅氧烯的電化學性能表徵

圖五 硅氧烯基對稱超級電容器的電化學分析

(a-e) 在400 mV/s掃速下，硅氧烯基對稱超級電容器在不同電壓窗口下的CV曲線，電壓範圍為1.0 V-3.0 V；

(f) 比電容和工作電壓對比曲線圖。

圖六 硅氧烯基對稱超級電容器的電化學分析

(a-c) 在5m V/s至20 V/s掃速下測試對稱超級電容器的CV曲線；

(d) 不同面積比電容與掃速的對比曲線圖；

(e) 對稱超級電容器的Nyquist曲線；

(f) 比電容和相角與頻率對比曲線圖。

圖七 硅氧烯基對稱超級電容器的電化學分析

(a) 在0.5 mA恆定電流下測試硅氧烯基超級電容器的恆電流充放電曲線；

(b) 不同電流密度下的充放電曲線；

(c) 面積比電容和不同電流密度的對比；

(d) 硅氧烯超級電容器器件的倍率性能。

☆ 硅氧烯對稱超級電容器器件的優勢

【 原文信息 】

Two-dimensional siloxene nanosheets: Novel high-performance supercapacitor electrode materials.(Energy & Environment Science,2018, DOI:10.1039/C8EE00160J)

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee00160j#!divAbstract

供稿丨深圳市清新電源研究院

部門丨媒體信息中心科技情報部

撰稿人丨簡奈

主編丨張哲旭

清新電源投稿通道（Scan）

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