氮掺杂钼酸镍/硼化镍异质结构设计及其界面导电性增强机制在高性能混合超级电容器中的应用

针对混合超级电容器(HSCs)能量密度低的问题，研究人员通过构建氮掺杂NiMoO4 空心纳米结构负载非晶态Nix B纳米颗粒的异质结(N–NiMoO4 @Nix B)，利用理论模拟与实验验证揭示氮掺杂提升导电性、欧姆接触界面降低电荷传输势垒的协同机制，最终实现932 C g?1 的高比容量和53.1 Wh kg?1 的能量密度，为金属硼化物/钼酸盐异质结设计提供新范式。

　　

随着可再生能源和电动汽车的快速发展，能源存储设备面临能量密度与安全性的双重挑战。传统锂离子电池因有机电解质的易燃性存在安全隐患，而混合超级电容器(HSCs)结合了电池的高能量密度和超级电容器的快速充放电特性，成为研究热点。然而，HSCs的核心瓶颈在于电池型电极材料(BTEMs)导电性差、活性位点不足以及充放电过程中的结构坍塌。钼酸镍(NiMoO₄
)虽具有多价态和环境友好等优势，但其实际应用仍受限于缓慢的电化学反应动力学。

河北新型无机光电纳米材料研究中心团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，通过缺陷工程与异质结构协同策略，设计出氮掺杂NiMoO₄
空心纳米结构负载非晶态硼化镍(Ni_x
B)纳米颗粒的N–NiMoO₄
@Ni_x
B异质结。该工作结合密度泛函理论(DFT)计算与实验分析，首次阐明氮掺杂降低能带隙、欧姆接触界面形成抗势垒层以及内置电场(BIEF)促进电荷转移的三重增强机制。

关键技术包括：1）以MoO₃
为模板的离子交换法合成空心NiMoO₄
纳米结构；2）尿素氮化处理实现晶格氮掺杂；3）化学还原法在表面沉积Ni_x
B纳米颗粒；4）通过同步辐射X射线吸收谱(XAS)分析电子结构；5）组装HSC全电池测试性能。

Results and discussion

1. 材料设计与表征：透射电镜显示N–NiMoO₄
   为纳米片组装的空心结构，Ni_x
   B纳米颗粒均匀分布（粒径5-8 nm）。X射线光电子能谱(XPS)证实氮以替代掺杂形式存在于NiMoO₄
   晶格中。

2. 导电机制：DFT计算表明氮掺杂使N–NiMoO₄
   带隙从2.1 eV降至1.4 eV，态密度(DOS)显示费米能级附近电子态显著增加。原位阻抗谱证实异质结界面电荷转移电阻降低60%。

3. 电化学性能：在6 M KOH电解液中，N–NiMoO₄
   @Ni_x
   B电极在1 A g^?1
   下展现932 C g^?1
   的比容量，10 A g^?1
   时保持76%容量（709 C g^?1
   ），优于已报道的NiMoO₄
   基材料。

4. 器件性能：以N–CNTs为负极组装的HSC全器件，在802 W kg^?1
   功率密度下实现53.1 Wh kg^?1
   的能量密度，循环5000次后容量保持率达95%。

Conclusions
该研究通过精准调控N–NiMoO₄
@Ni_x
B的电子结构与界面特性，首次揭示金属硼化物/钼酸盐异质结的协同储能机制：1）氮掺杂优化本体导电性；2）Ni_x
B与N–NiMoO₄
形成的欧姆接触实现无势垒电子传输；3）界面BIEF加速离子扩散。这种"三位一体"的设计策略为开发高性能HSCs电极材料提供了新思路，其53.1 Wh kg^?1
的能量密度已接近商用锂离子电池水平，且具备更高的安全性，在智能电网储能等领域具有应用潜力。