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user: 3. 结果与讨论 3.1. 材料的表征 如图2(a)所示，K 4 Nb 6 O 17 晶体具有明显的层状结构，可用于剥离成单层晶体，插图可以看出其宏观尺寸在3 mm左右。图2(b)中可以看出经过丙胺剥离得到的2D纳米片具有明显的二维结构，厚度小，尺寸大。从其透镜中(图2(c))可以观察到该纳米片几乎透明，且有一定的柔韧性，充分表明2D纳米片制备成功。从图2(d)可以看出DA聚合后的纳米片厚度明显增加，表面粗糙程度加重，表明DA在K 4 Nb 6 O 17 表面成功聚合。 图3(a)与图3(b)层状结构不明显，团聚在一起，说明碳化程度不够，仍有聚多巴胺附着在样品表面，这是导致这两个温度退火样品性能低于800摄氏度的主要原因。图3(c)可以看出经过800˚C退火处理后，铌酸钾片层明显，表面变得粗糙，说明多巴胺碳化处理成功。图3(d)与图3(e)虽然也显示了和800度处理相同的特点，但是厚度明显增加，重叠严重，导致性能不如退火800℃。 X-射线粉末衍射是用来评估物质结构的重要手段。图3(g)中K 4 Nb 6 O 17 晶体的XRD衍射峰位置与标准JCPDS卡片中21-1297衍射峰数据一致。由于K 4 Nb 6 O 17 被剥离为单层薄片，结晶度降低，所以图3(g) 图2. (a) (b)分别为 K 4 Nb 6 O 17 晶体，K 4 Nb 6 O 17 2D纳米片SEM图；(c) K 4 Nb 6 O 17 2D纳米片TEM图；(d) K 4 Nb 6 O 17 -PDA SEM图 图3. (a)-(e)分别为K 4 Nb 6 O 17 -C-400，K 4 Nb 6 O 17 -C-600，K 4 Nb 6 O 17 -C-800，，K 4 Nb 6 O 17 -C-900，K 4 Nb 6 O 17 -C-1000的SEM图；(f) K 4 Nb 6 O 17 -C-800 TEM图；(g) XRD；(h) K 4 Nb 6 O 17 ，K 4 Nb 6 O 17 -C-800 TG图 中K 4 Nb 6 O 17 大尺寸超薄纳米片的衍射峰变宽，剥离后的谱图几乎没有了尖锐峰。由于包裹了一层无定型DA，所以K 4 Nb 6 O 17 -PDA的无定型程度经一步增大，只有一个21˚左右的宽峰。 由于退火处理，K 4 Nb 6 O 17 -C样品的结晶度增大，在22.03˚、25.11˚、31.56˚、47.34˚位置具有相同的衍射峰。如图3(h)所示，K 4 Nb 6 O 17 -C-800的失重约为15%，是主要的失重部分，该部分应为K 4 Nb 6 O 17 -C-800中碳的燃烧分解。单纯K 4 Nb 6 O 17 之所以有如此大的失重，达到了25%，超过了K 4 Nb 6 O 17 -C-800纳米片的失重，是因为其在剥离过程中，丙胺是嵌在K 4 Nb 6 O 17 薄片中间的，通过简单的水洗难以去除，失重部分应为丙胺的分解。 3.2. 电化学储能测试 如图4(a)所示，在不同扫速(10，25，50，75，100，200，300 mV∙s −1 )下K 4 Nb 6 O 17 -C-800纳米片的循环伏安曲线可以看出准可逆氧化还原的形状，表明二维结构的K 4 Nb 6 O 17 -C-800纳米片在电化学储能方面有良好的可逆性。在扫速为10，25，50，75，100，200，300 mV∙s −1 的扫速下，K 4 Nb 6 O 17 -C-800比电容分别为328，298，261，237，218，162，123 F∙g −1 ，表现出高速率的电化学存储能力。 图4(b)为K 4 Nb 6 O 17 -C-800组装为超级电容器后在不同电流密度下的充放电曲线(GCD)，图中可以 图4. (a) 不同扫描速率下K 4 Nb 6 O 17 -C-800电极的CV曲线；(b) K 4 Nb 6 O 17 -C-800电极的充电/放电曲线；(c) 不同电流密度下电容对比图；(d) 10 A∙g −1 下样品的循环性能 看出材料具有优异的电化学储能性能，尤其是在大电流密度下(50~100 A∙g −1 )，依然拥有较高的比电容，极大的提高了超级电容器的适用范围。 图4(c)中可以看出K 4 Nb 6 O 17 -C的性能与退火温度有重要的联系，且掺碳比不掺碳的性能提升了将近一倍。当退火温度在800℃时，样品表现出优异的电化学储能性能，在电流密度为0.5、1、3、5、10、20、30、50、70、80、100 A∙g −1 时，K 4 Nb 6 O 17 -C-800比电容分别为330、300、289、285、257、230、218、200、183、178、161 F∙g −1 ，明显高于K 4 Nb 6 O 17 (对应比电容分别为209、194、177、171、158、138、131、111、98、97、89 F∙g −1 )。 此外，K 4 Nb 6 O 17 -C-800相对其他退火温度也有较大优势，在50 A∙g −1 时，退火温度为400℃、600℃、900℃、1000℃的比电容分别为144、171、203、158 F∙g −1 ，在100 A∙g −1 的电流密度下比电容为109、147、183、138 F∙g −1 。尽管K 4 Nb 6 O 17 -C-900的比电容在电流密度高于50 A∙g −1 时比K 4 Nb 6 O 17 -C-800的比电容相对有提高，但是出于对经济和安全的综合考虑，800℃为最佳的退火温度。 超级电容器的循环充放电性能即循环寿命是它投入应用之前必须要考察的一个至关重要的因素，其循环寿命的长短将在很大程度上制约超级电容器的实际应用。如图4(d)所示，电流密度为10 A∙g −1 时，不同退火温度处理得到的纳米片所表现出的稳定性也是不同的。在10，000次循环充放电之后，K 4 Nb 6 O 17 -C-800依然保有98%以上的初始电容，性能及其稳定。相比之下，K 4 Nb 6 O 17 -C-400、K 4 Nb 6 O 17 -C-600、K 4 Nb 6 O 17 -C-900、K 4 Nb 6 O 17 -C-1000的稳定性较差，且伴随有大幅度波动。从对比图中可以得出K 4 Nb 6 O 17 -C-800在大电流密度下可以保持较高的放电比电容且维持极高的稳定性，这使它作为超级电容器负极材料方面有巨大的潜力和应用前景。 如表1所示，本工作与其他相关文献性能对比，可以看出，本工作无论是在同等电流密度下还是同等循环次数上都明显优于其他文献，同时本工作在更高的电流密度下依然有良好的比容量性能。 Table 1 Performance comparison tabl Composites Rate capability Cycling stability C-Nb 2 O 5 [ 30 ] 108 F∙g −1 (5 A∙g −1 ) 355 F∙g −1 (0.5 A∙g −1 ) 100 cycles ~82% (0.5 A∙g −1 ) T-Nb 2 O 5 /NS-G [ 31 ] 168 mA∙h∙g −1 (0.05 A∙g −1 ) 106 mA∙h∙g −1 (5 A∙g −1 ) 1000 cycles ~93.6% (0.5 A∙g −1 ) T-Nb 2 O 5 @C [ 32 ] 188 mA∙h∙g −1 (0.1 A∙g −1 ) 58 mA∙h∙g −1 (5 A∙g −1 ) 1000 cycles ~82.2% (0.1 A∙g −1 ) Nb 2 O 5 /carbon [ 33 ] 170 mA∙h∙g −1 (0.05 A∙g −1 ) 110 mA∙h∙g −1 (5 A∙g −1 ) 4000 cycles ~80% (5 A∙g −1 ) T-Nb 2 O 5 /graphene [ 34 ] 626 C∙g −1 (1 A∙g −1 ) 220 C∙g −1 (50 A∙g −1 ) o-Nb 2 O 5 hollow microspheres [ 35 ] 126.7 F∙g −1 (50 A∙g −1 ) K 4 Nb 6 O 17 -NL [ 36 ] 123 mA∙h∙g −1 (0.05 A∙g −1 ) 109 mA∙h∙g −1 (1.6 A∙g −1 ) 200 cycles ~86% (0.2 A∙g −1 ) Our work 257 F∙g −1 (10 A∙g −1 ) 200 F∙g −1 (50 A∙g −1 ) 161 F∙g −1 (100 A∙g −1 ) 10，000 cycles ~95% (10 A∙g −1 ) 表1. 性能对比表