通过热磷化法制备FeCoP2：迈向能源储存技术的一项尝试

《Materials Today Chemistry》：Development of FeCoP 2 through thermal phosphidation: An attempt towards energy storage

FeCoP?纳米颗粒通过时间调控热磷化法合成，利用深熔盐溶剂制备的FeCo?O?为前驱体，优化磷化时间至4小时获得高结晶度、多孔结构的电极材料，在0.66 A/g下比电容达212 F/g，组装的不对称超级电容器在1.45 V窗口内表现优异循环稳定性。

　　

Sutripto Majumder | Swapnil S. Karade | Raja Venkatesan | Sarah A. Alshehri | Ki Hyeon Kim

韩国庆尚郡岭南大学物理系，邮编38541

摘要

过渡金属磷化物（TMPs）由于其出色的储电能力，成为能源存储应用的有希望的候选材料。然而，制备纯相且形貌可控的双金属磷化物仍然是一个挑战。在本研究中，我们报道了一种通过时间调控的热磷化策略来控制合成FeCoP₂纳米颗粒的方法，其中使用深共晶溶剂衍生的FeCo₂O₄作为牺牲模板。通过改变磷化时间，我们调控了所得FeCoP₂纳米结构的晶体相和表面形貌。经过4小时磷化后获得的优化样品（FCP-2）在三电极配置下表现出212 F g^?1的高比电容（电流密度为0.66 A g^?1）。当将其与活性炭集成到不对称超级电容器（NF/AC//FCP-2/NF）中时，该器件在两个电极的总活性质量基础上显示出95 F g^?1的比电容，在1.45 V的电压窗口内高效运行，并且在10,000次循环后仍保持80%的电容保持率。这些发现凸显了经过磷化处理的FeCoP₂作为高性能能源存储系统下一代电极材料的潜力。

引言

全球向可持续能源系统的转型需要开发先进的能源存储技术，以应对可再生能源的间歇性问题[[1], [2], [3]]。超级电容器因其高功率密度、快速的充放电速率和长的使用寿命而成为有前景的候选者[4,5]。然而，与电池相比，它们的能量密度相对较低，这限制了其在能源存储解决方案中的广泛应用[6]。 提高超级电容器的能量密度需要探索结合高电导率和强氧化还原活性的新型电极材料。过渡金属磷化物（TMPs）在这方面受到了关注，这得益于它们的半导体性质、有利的氧化还原动力学以及磷掺杂带来的优异电导率[7,8]。最近的研究强调了基于TMP的纳米结构所具有的有前景的电化学性能。例如，碳布上的NiCoP纳米片在799.5 W kg^?1的电流下表现出78.5 Wh·kg^?1的能量密度，并在10,000次循环后仍保持超过90%的容量[9]。类似地，具有纳米针和纳米片的纳米结构NiCoP实现了约100 F g^?1的比电容和约34 Wh kg^?1的能量密度，同时具有优异的电化学稳定性[10]。由相互连接的纳米片组成的MnCoP基中空纳米立方体在2 A g^{?1?1?1₂纳米材料表现出显著的催化和电化学性能，展示了它们在锌空气和铝空气电池以及水分解等应用中的多功能性[[13], [14], [15]]。特别是双金属磷化物，能够提供协同效应，从而提升其电化学性能，超越单一金属对应物。 尽管有这些优势，但合成纯相、形貌可控且结构稳定的双金属磷化物以适应长期循环仍存在挑战。解决这些挑战对于充分发挥TMPs在能源存储应用中的潜力至关重要。在本研究中，我们通过时间调控的热磷化策略控制合成了FeCoP₂纳米颗粒，使用深共晶溶剂衍生的FeCo₂O₄作为牺牲基底。通过系统地改变磷化时间，我们调控了所得FeCoP₂纳米结构的晶体相和表面形貌，从而提高了其电化学性能。优化的FeCoP₂电极表现出高比电容和优异的循环稳定性，突显了其作为下一代超级电容器先进电极材料的潜力。}

FeCoP₂的合成

深共晶溶剂（DES）及其衍生的FeCo₂O₄的形成过程在“支持信息”中的解释S1和S2中有详细说明[16]。在典型的制备过程中，将0.20 g的FeCo₂O₄纳米粉末与1.20 g的亚磷酸氢钠（NaH₂PO₂·H₂O，Sigma-Aldrich，纯度99.9%）使用玛瑙研钵研磨约10分钟，得到均匀混合物。然后将混合物转移到氧化铝舟中，并将其放入石英管炉中。

结果与讨论

通过X射线衍射（XRD）分析了FCP-1、FCP-2和FCP-3样品的晶体特征。如图2（a）所示，衍射图谱与CoP的标准数据（JCPDS编号29–0497）非常吻合，CoP具有正交晶体结构。先前的研究表明FeCoP₂与CoP具有相似的晶体框架，因此衍射峰紧密对齐[17]。在2θ处观察到的显著反射...

结论

本研究展示了一种通过时间调控的热磷化方法，利用深共晶溶剂衍生的FeCo₂O₄前驱体来合成FeCoP₂纳米颗粒。将磷化时间优化为4小时后，获得了结晶度更高、导电性更好、表面积更大且孔隙率最佳的FeCoP₂。所得电极在0.66 A g^?1?1

CRediT作者贡献声明

Sutripto Majumder：概念构思、数据分析、方法学研究、验证、初稿撰写、审稿与编辑、实验设计、资源获取。 Swapnil S. Karade：数据管理、验证。 Raja Venkatesan：数据分析。 Sarah A. Alshehri：数据分析、审稿与编辑、资金筹集。 Ki Hyeon Kim：指导、资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得Princess Nourah bint Abdulrahman大学的研究支持项目（项目编号PNURSP2025R715），以及岭南大学天然产物和医用材料核心研究支持中心的Physisorption Analyzer（BET）（设备编号NFEC-2016-01-207199）的支持。