面对日益严重的气候异常和能源危机，太阳能、风能、潮汐能等可持续能源的开发以及与之相匹配的"绿色"电力存储技术，被认为是支撑未来人类社会持续发展的最终途径，因此受到了广泛关注。在已报道的电能存储系统中，超级电容器因具有功率密度高、寿命长、安全、成本低等优势，已被广泛应用于储能电站、照明设施、电动汽车和其他移动设备。然而，商用超级电容器的能量密度相较于锂电池和燃料电池有明显不足，这限制了超级电容器设备的进一步应用。根据电容器串联方程1/CT = 1/C_正极 + 1/C_负极，器件的总电容（CT）决定于具有较小电容量的电极，就像"水桶效应"一样。目前，正极材料已经取得了良好进展，报道的比电容通常大于1000 F·g^-1。然而，商用负极材料（活性碳）通常低于200 F·g^-1，这是限制超级电容器器件能量密度的关键"短板"之一。

本研究以掺Fe的Bi₂O₂CO₃纳米片为前驱体，通过水热硫化工艺成功制备了具有多级结构的Fe_xBi_2-xS₃固溶体结构（FeBi_S-X）。在硫化过程中，纳米片上逐渐转化成由大量纳米棒子单元自支撑的多级结构，为储能反应过程中的快速传质提供了丰富的介孔通道。此外，适当的Fe:Bi比例可以实现Fe溶质在Bi₂S₃框架中的分散，形成Fe_xBi_2-xS₃固溶体结构，实现对Bi₂S₃电子结构的调控。同时引入的Fe(II)，还可以引起溶剂的晶格畸变，从而产生缺陷结构，增加充放电过程中活性中心的数量。但过量的Fe元素（X ≤ 50%），会导致FeS₂微晶或无定形Fe-S的形成。优化后的FeBiS-60%材料，作为超级电容器负极在电流密度为1 A·g^-1时可提供832.8 F·g^-1的高比容量。将此负极与课题组报道的Co/Ni基硫化物（NCS）正极组装的NCS//FeBiS-60% HSC器件，在功率密度为0.799 kW·kg^-1时可达到85.33 Wh·kg^-1的超高能量密度，并且循环8700轮后仍能保持86.7%的初始容量，具有优异的循环稳定性。

图1 (a) FBOC-60%-MOF；(b和c) FeBiS-60%的扫描电镜图像；FeBiS-60%的(d) 透射电镜、(e和f) 高分辨图像和(g) TEM-Mapping图像。

图2 (a) FeBiS-0%、FeBiS-10%、FeBiS-30%、FeBiS-50%、FeBiS-60%、FeBiS-90%、FeBiS-100%以及FeS₂和Bi₂S₃标准卡的XRD谱图；(b) FeBiS-60%和FeBiS-100%的电子顺磁共振(EPR)谱图；(c) Fe 2p轨道、(d) S 2p轨道和Bi 4f轨道的XPS谱图。

图3 (a) 1 A g^-1时FeBiS-0%、FeBiS-10%、FeBiS-30%、FeBiS-50%、FeBiS-60%、FeBiS-90%和FeBiS-100%的GCD曲线；(b) FeBiS-60%的CV曲线；(c) FeBiS-60%的GCD曲线；(d) 不同电流密度下FeBiS-0%、FeBiS-10%、FeBiS-30%、FeBiS-50%、FeBiS-60%、FeBiS-90%和FeBiS-100%的比容量曲线；(e) FeBiS-60%的log(i) vs log(v)拟合线；(f) FeBiS-60%的循环稳定性和库仑效率。

图4 (a) 20 mV s^-1的扫描速率下FeBiS-60%和NCS电极的CV曲线；NCS//FeBiS-60% HSC器件：(b) 不同扫描速率下的CV曲线、(c) 不同电流密度下的GCD曲线、(d) 不同电流密度下的比电容、(e) Ragone图、(f) 循环稳定性和库仑效率，插图：点亮“QUST”标识的LED灯。

王磊，教授，山东省杰青，博士生导师，2006年于吉林大学获无机化学博士学位。长期从事无机微纳米材料的可控合成及其在绿色能源等相关领域的应用，已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., ACS Nano, Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., Science China Chem., 中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文四百余篇, 其中通讯作者影响因子大于10.0的论文180余篇。作为第一完成人获中国石油和化学工业联合会科技进步奖、中国可再生能源学会科学技术人物奖等奖励。

Zhou F, Wang X, Jing R, et al. Hierarchical Fe_xBi_2−xS₃ solid solutions for boosted supercapacitor performance. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6243-4.