过去的数十年间，全球传统化石能源的大规模消耗推动了可持续能源的快速发展，也加速了储能器件的发展。在众多储能器件中，超级电容器凭借着功率密度高、循环寿命长、安全性高等优点得到了广泛关注。然而，与电池相比，低能量密度限制了其实际应用。因此，寻求高性能的电极材料仍然是人们的迫切要求。过渡金属硫化物具有较高的氧化还原电压，以及每个金属中心有多个电子转移而产生的高容量，已经作为超级电容器的电极材料被广泛研究。但是对于过渡金属硫化物电极材料面临的两大问题是电极材料的导电性比较差以及电极材料在后续的充放电过程中容易造成的体积膨胀。因此，有必要发展一些策略来适应材料的体积膨胀，提高电导率。
本文在针对过渡金属硫化物电极材料在实际应用中存在的缺点提出了解决措施。首先，引入一种由聚合物(PVA)衍生的分层多孔结构碳基电极材料来应对其导电性较差以及在循环过程中出现的体积膨胀等问题。其次，采用环境稳定、电导率可调、合成过程简单的小分子聚合物(PPy)作为N源掺杂到电极材料中可以有效调整材料电子结构及电荷密度，从而改善氧化还原反应动力学。另外，针对传统金属硫化物的制备需要引入外部硫源而产生的复杂过程和有毒副产物等问题，本文选用纸浆生产中提取的副产品木质素磺酸盐作为硫前驱体，通过后期高温热处理制备金属硫化物。迄今为止，以生物质大分子表面基团衍生金属硫化物的研究报道仍然较少，因此，我们制备的这种材料在高性能超级电容器电极材料的研究中具有较大的应用价值。
鉴于上述制备材料的特殊微观形貌和多组分间的协同作用，研究团队进一步尝试探索其在电磁波污染治理方面的潜在应用价值，旨在应对当前由于电磁波辐射和干扰所引起的精密电子仪器失效，医疗检测设备的信号传输差以及国防安全信息泄露等问题。实验结果表明，通过可控氧化聚合、机械共混和热处理方法构建的双金属硫化物纳米粒子嵌入的N掺杂分层碳质气凝胶具有多功能性，既可以充当超级电容器电极材料也可以作为高性能的吸波材料。材料内部存在大量分散的活性位点以及易于电子扩散的多孔结构使其具有出色的电化学性能，在电流密度为1 A g-1时最大的比电容可达2653.3 F g-1，并在循环5000次之后仍旧保持89.2％的电容量。另外，其较好的阻抗匹配和双重衰减机制使其具有较好的吸波性能，当厚度为2.mm时，对于频率为11.6 GHz处的电磁波最强的吸收可达-47.2 dB，最大的有效吸收带卡为3.7 GHz，充分证明了材料的强吸收和宽频吸收特性。本研究对推进多功能环境修复材料的发展具有重要的意义，特别是在超级电容器电极材料和电磁波污染的治理方面。
相关工作在线发表在Carbon（DOI：10.1016/j.carbon.2021.04.029）上。
原文刊载于【InfoMat】公众号
原文作者：InfoMat团队
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