Připevnění ultramalých nanočástic greigitu na grafen pro účinné superkondenzátory přechodného kovu a sulfidu v iontovém kapalném elektrolytu

To meet the future demands for off-grid power, high-performance electrochemical energy storage based on earth-abundant materials is essential. Supercapacitors are attractive in this sense due to their sustainable carbon-based architecture, rapid charging/discharging, and long cycle-life in comparison to battery chemistries. However, hybridizing carbon electrodes with inorganic phases is intensively explored in supercapacitor research to mitigate their low energy content. Iron sulfides are attractive because they are non-toxic and composed of earth-abundant elements, but, despite their hydrophobic nature, they have only been studied in aqueous electrolytes, limiting the energy content due to the narrow voltage stability window of water. Here, exploiting a rapid growth method and a highly functionalized graphene support, we strongly immobilized greigite (Fe3S4) nanoparticles with an ultrasmall size which could not be attained in the absence of graphene. The respective supercapacitor cell was found significantly more electroactive in the ionic liquid electrolyte than in water, boosting the energy content. Furthermore, greigite has high conductivity and fast surface faradaic reactions due to the enzyme-mimicking triple redox state of its thiocubane basic structural unit. Thus, fully reversible and fast redox processes in the expanded voltage-window of the ionic liquid also endowed excellent rate capability, cycling stability, and power. The work demonstrates a pathway, not previously explored, whereby greigite/graphene hybrids can surpass in these aspects top-rated supercapacitor materials.Ke splnění budoucích požadavků na energii mimo síť je nezbytné vysoce výkonné skladování elektrochemické energie založené na materiálech bohatých na Zemi. Superkondenzátory jsou v tomto smyslu atraktivní díky své udržitelné architektuře založené na uhlíku, rychlému nabíjení / vybíjení a dlouhé životnosti ve srovnání s chemickými bateriemi. Hybridizace uhlíkových elektrod s anorganickými fázemi se však intenzivně zkoumá ve výzkumu superkapacitorů, aby se zmírnil jejich nízký obsah energie. Sulfidy železa jsou atraktivní, protože jsou netoxické a skládají se z prvků bohatých na Zemi, ale navzdory své hydrofobní povaze byly studovány pouze ve vodných elektrolytech, což omezuje obsah energie v důsledku úzkého okna stability napětí vody. Zde jsme s využitím metody rychlého růstu a vysoce funkcionalizované podpory grafenu silně imobilizovali nanočástice greigite (Fe3S4) s ultravysokou velikostí, které by nebylo možné dosáhnout při absenci grafenu. Příslušný superkondenzátorový článek byl v iontovém kapalném elektrolytu nalezen významně více elektroaktivně než ve vodě, což zvyšuje energetický obsah. Kromě toho má greigit vysokou vodivost a rychlé povrchové faradaické reakce v důsledku trojitého redoxního stavu napodobujícího enzymy své základní strukturní jednotky thiocubanu. Plně reverzibilní a rychlé redoxní procesy v rozšířeném napěťovém okně iontové kapaliny tedy také poskytly vynikající schopnost rychlosti, stabilitu cyklování a výkon. Práce demonstruje cestu, která dosud nebyla prozkoumána, přičemž hybridy greigit / grafen mohou v těchto aspektech překonat špičkové superkondenzátorové materiály