[发明专利]一种缺陷调控的镓氧氮化物@碳布工作电极及其用途

说明书

本发明属于电化学储能技术领域，涉及一种缺陷调控的镓氧氮化物@碳布工作电极及其用途。镓氧氮化物@碳布工作电极，为镓氧氮化物纳米粒子通过涂布法负载于碳布上而形成的复合物，镓氧氮化物的担载量为4‑6mg cm^‑2。本发明还提供所述缺陷调控的镓氧氮化物@碳布工作电极的制备方法和用于超级电容器工作电极的用途。工作电极在0.5mA cm^‑2电流密度下，放电比容量达792mF cm^‑2，在0.5‑50mA cm^‑2不同电流密度下循环一万圈，容量保持率近100％。工作电极的尺寸不受氨氮化处理设备的限制，制备方法简单，易于规模化工业生产；可以通过改变刻蚀电压、电解液浓度和/或刻蚀时间调控缺陷浓度，便于获得不同性能的工作电极。

技术领域

本发明属于新材料产业，具体属于电化学储能技术领域，涉及一种缺陷调控的镓氧氮化物@碳布工作电极及其用途。

背景技术

在“碳中和、碳达峰”背景下，战略新兴产业、节能减排技术成为各国关注的焦点。由于石油短缺日益严重，人们逐渐认识到开发新能源汽车的重要性，对新能源汽车中的电动汽车而言，最关键的还是看电池和超级电容器的性能。电池的性能决定了车辆的续航里程，超级电容器用于回收刹车时的再生能量，在启动和爬坡时提供大功率电流，其性能决定了电动汽车启动和运行时的速度。据悉，电动汽车的成本构成中，电池和超级电容器的成本占到总成本的40％，其中，电极材料的成本占到电池和超级电容器成本的一半以上。随着新能源汽车的发展，有关高性能电极材料的研究进一步发展。

近年来，缺陷工程已发展为提高电极材料电化学性能的有效途径(AdvancedMaterials 2020,32,1905923)。对晶体而言，缺陷是指晶体点阵结构中周期性势场的畸变，缺陷的类型有点缺陷(如空位、填隙原子/离子、取代原子/离子)、线缺陷(如位错)和面缺陷(如晶界)。迄今为止，科研工作者发展了多种方法，用于电极材料中产生缺陷。例如：化学刻蚀法、电化学刻蚀法、等离子刻蚀法、杂原子掺杂法、超声剥离法及在还原性气体中热处理等 (Nano Letters 2017,17,4713-4718；Nature Communications 2017,8,14559；Matter2020,3, 2124-2137；Nature Communications 2017,8,15113)。所产生的缺陷分为阴离子缺陷和阳离子缺陷，其中有关C、N、O、P、S及[Fe(CN)₆]^4-等阴离子缺陷的研究，文献中有大量报道(Advanced Materials 2020,32,1905923)。在电极材料晶格中产生阳离子空位，是提高其比容量、电荷转移速率和电化学循环稳定性的另一种策略。然而，在电极材料中产生阳离子缺陷的研究，并没有引起科研工作者的充分关注(Advanced Materials2019,31,1902709)。

需要指出的是，阴离子缺陷和阳离子缺陷能同时存在于同一种电极材料中，特别是对于利用刻蚀方法产生缺陷的电极材料。因此，在构造电极材料的缺陷时，兼顾阴离子和阳离子缺陷的作用，不仅具有重要的科学意义，而且有利于获得高性能的电极材料。

镓氧氮化物被广泛应用于裂解水、分解氮氧化物、气体传感和储能领域。比如CN201810959716.2和CN201610065543.0中利用锌镓氧氮作为光催化剂，CN112309723A中利用在碳布上直接生长镓氧氮化物用于超级电容器工作电极。然而，在碳布上直接生长镓氧氮化物获得高性能的工作电极，需要多次浸渍-提拉-干燥的重复操作(CN112309723A)，步骤繁琐，且在碳布上直接生长镓氧氮化物获得镓氧氮化物@碳布工作电极，电极的尺寸受氨氮化处理设备的限制，不利于规模化工业生产。

以镓氧氮化物纳米粒子为活性物质，利用常规的涂布法制备工作电极，能够简化镓氧氮化物@碳布工作电极的制备过程，易于实现规模化工业生产。然而，常规情况下利用涂布法制备的镓氧氮化物@碳布工作电极，比容量低，例如在0.5mA cm^-2下，面积比容量仅为18 mF cm^-2。

发明内容