通过异质界面设计增强类似蒲公英结构的NiCo?O?/Ti?C?T?·x MXene复合材料的能量存储性能，用于超级电容器

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhanced energy storage in dandelion-like NiCo 2O 4/Ti 3C 2T x MXene composite via heterointerface design for supercapacitor

通过水热-煅烧耦合法制备的蒲公英状NiCo2O4/Ti3C2Tx纳米复合材料，利用氧空位和界面设计提升电化学性能。电极在1A·g?1下比电容达834.56F·g?1，组装成超级电容器能量密度79.92Wh·kg?1，功率密度755.07W·kg?1，循环5000次后容量保持率89.53%。

　　超电容器因其高能量存储能力、卓越的循环稳定性、良好的电子设备兼容性以及低维护成本而受到广泛关注，被视为未来能源存储设备的重要候选材料之一。在众多的电极材料中，过渡金属氧化物因其能够实现丰富的表面氧化还原反应以及具备高比电容、能量密度和功率密度等固有优势，成为研究的热点。然而，单一金属氧化物材料往往存在导电性差、容易发生体积膨胀以及氧化还原活性位点有限等问题，这些缺陷限制了其在超级电容器中的应用表现。

为了克服上述问题，研究人员开始关注二元过渡金属氧化物，如NiCo?O?、NiMnO?等，这些材料不仅具有比单金属氧化物更高的导电性，还表现出更优异的电化学性能。NiCo?O?作为一种具有高理论比电容的材料，因其成本效益和可控的形貌而被视为一种有潜力的超级电容器电极材料。然而，其固有的低导电性、易团聚以及反应动力学缓慢等问题仍然制约了其实际应用。因此，提高NiCo?O?的电化学性能成为当前研究的重要方向。

近年来，异质界面设计被广泛认为是一种有效的方法，能够显著改善电极材料的性能。异质界面通常指的是两种不同材料之间的接触界面，这种设计可以增强材料之间的协同效应，提高电子传输速率和氧化还原反应动力学，同时有助于稳定复合结构。例如，一些研究通过将NiCo?O?与碳纳米管（CNTs）或石墨烯结合，成功制备了具有高比电容和良好循环稳定性的复合材料。此外，一些研究还尝试通过在MXene表面引入金属离子或纳米结构来增强其电化学性能，这些策略均显示出一定的效果。

MXene作为一种新型的二维材料，因其独特的结构和优异的电化学性能而受到高度关注。MXene具有丰富的表面官能团，如-OH、-F和-Cl等，这些官能团不仅赋予其良好的亲水性，还能够与金属离子发生快速的氧化还原反应，从而表现出显著的赝电容行为。此外，MXene的层间结构允许离子在平面内快速传输，这使得其在超级电容器中具有良好的应用前景。然而，由于层间作用力较强，MXene的层间距较窄，这在一定程度上限制了其在电化学储能中的应用。因此，通过剥离技术获得单层或少层MXene纳米片成为研究的重点。

基于上述背景，本研究提出了一种通过简单水热-煅烧耦合方法制备具有“蒲公英”形貌的NiCo?O?/Ti?C?T?复合材料的策略。该方法利用了水热反应和后续煅烧处理的优势，使得NiCo?O?纳米球能够在Ti?C?T?表面形成稳定的异质结构。这种结构不仅提供了丰富的反应活性位点，还通过优化形貌设计提高了材料的比表面积和导电性，从而有效降低了电荷转移电阻。此外，研究还发现，在NiCo?O?与Ti?C?T?之间形成了新型的Ni/Co-F共价键，这种键合方式进一步增强了材料之间的协同效应，提高了整体的电化学性能。

实验结果表明，所制备的NiCo?O?/Ti?C?T?复合材料表现出优异的电化学性能。在1 A·g?1的电流密度下，其比电容达到了834.56 F·g?1，显示出良好的电荷存储能力。此外，基于该复合材料构建的不对称超级电容器（NiCo?O?/Ti?C?T?//AC）在755.07 W·kg?1的功率密度下，仍能实现79.92 Wh·kg?1的能量密度，并且在5000次循环后仍能保持89.53%的容量保持率，这表明其具有良好的循环稳定性和长期使用性能。

为了进一步验证复合材料的结构和性能，研究者还通过多种表征手段对材料进行了分析。例如，透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）的结果确认了NiCo?O?纳米球中存在丰富的氧空位，这些氧空位有助于提高材料的导电性和电荷存储能力。同时，扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）的分析结果表明，Ni/Co-F共价键的形成增强了材料之间的界面相互作用，从而进一步提升了其电化学性能。

此外，研究还探讨了不同水热反应温度对NiCo?O?/Ti?C?T?复合材料性能的影响。实验发现，随着水热温度的升高，NiCo?O?纳米球的形貌逐渐演变，最终形成具有高比表面积和丰富氧空位的“蒲公英”结构。这种结构不仅提高了材料的比电容，还增强了其在高电流密度下的稳定性。通过对比不同温度下制备的复合材料，研究者发现180 °C的水热温度能够获得最佳的电化学性能，这为后续的材料优化提供了重要参考。

在实际应用方面，本研究的成果为开发高性能的电池型超级电容器提供了可行的策略。通过合理设计异质界面，不仅可以提升材料的导电性，还能增强其结构稳定性，从而延长电容器的使用寿命。同时，该研究也为其他过渡金属氧化物与MXene复合材料的设计提供了理论支持和实验依据，具有一定的推广价值。

总之，本研究通过创新性的异质界面设计策略，成功制备了一种具有优异电化学性能的NiCo?O?/Ti?C?T?复合材料。该材料在高比电容、良好的循环稳定性和较高的能量密度方面均表现出色，为未来高性能超级电容器的发展提供了新的思路和方法。同时，该研究也为进一步探索过渡金属氧化物与MXene复合材料的性能提升机制奠定了基础，具有重要的科学意义和应用前景。