界面电子调控促进NiCo2O4/C/MnO2空心纳米笼离子扩散与电荷转移以提升超级电容器性能

《Journal of Colloid and Interface Science》：Enabling fast ion diffusion and charge transfer in NiCo 2O 4/C/MnO 2 hollow nanocages via interfacial electronic modulation for supercapacitors

本综述聚焦于通过界面电子调制策略，构建三元NiCo2O4/C/MnO2空心纳米笼结构，显著提升超级电容器电极材料的电化学性能。该设计巧妙整合了电池型金属氧化物（NiCo2O4）、导电碳层（C）及赝电容材料（MnO2），通过协同效应优化了导电性、电化学活性位点及结构稳定性，最终实现高比电容（725.1C g?1）、高能量密度（82.5 Wh kg?1）及优异循环稳定性（8000次循环后保持70.5%），为高性能储能器件开发提供了新思路。

　　

Highlight

材料

氯化镍六水合物（NiCl₂·6H₂O ≥ 98%）、柠檬酸钠二水合物（Na₃C₆H₅O₇·2H₂O, ≥99%）、六氰合钴酸钾（K₃[Co(CN)₆], ≥99%）、葡萄糖（C₆H₁₂O₆, ≥99.5%）、高锰酸钾（KMnO₄, ≥99%）和无水乙醇（C₂H₆O, ≥99.0%）均购自国药集团化学试剂有限公司。

NiCo-PBA纳米立方体的合成

首先，将0.1140 g NiCl₂·6H₂O和0.1894 g柠檬酸钠二水合物在25 mL去离子水中超声溶解，形成溶液A。同时，将0.1068 g K₃[Co(CN)₆]溶解于25 mL去离子水中，形成溶液B。在剧烈搅拌下，将溶液B缓慢滴加到溶液A中。混合溶液在室温下静置老化24小时。随后，通过离心收集所得的淡黄色沉淀，并用去离子水和乙醇反复洗涤。最后，产品在60°C的真空烘箱中干燥过夜，得到NiCo-PBA前驱体。

结果与讨论

图1展示了NiCo₂O₄/C/MnO₂空心纳米笼的合成路线。我们首先通过共沉淀法，利用Ni²⁺和[Co(CN)₆]^3?离子在含有柠檬酸钠作为螯合剂的水溶液中合成了NiCo-PBA纳米立方体。随后，所制备的NiCo-PBA经过氨溶液可控蚀刻，促进了空心结构的形成。然后，以葡萄糖为碳源，通过水热碳化过程在蚀刻产物上包覆了一层碳层。碳包覆不仅显著提高了材料的导电性，还为后续MnO₂的负载提供了稳固的基底。最后，通过温和的还原反应，在高锰酸钾溶液中使MnO₂纳米结构沉积在碳包覆的 hollow nanocages 表面，成功构建了三元异质结构。这种精心设计的结构带来了多重优势：碳层像高速公路一样加速电子传输，MnO₂和NiCo₂O₄提供了丰富的氧化还原反应"热点"，而空心结构则像海绵一样为电解质渗透和离子扩散提供了充足空间，并有效缓冲了充放电过程中的体积变化。

结论

总而言之，我们成功合成了一种三元NiCo₂O₄/C/MnO₂纳米笼结构，作为一种高效的超级电容器电极。将NiCo₂O₄、碳和MnO₂独特地整合到空心纳米笼架构中，不仅增强了导电性和结构稳定性，还提供了丰富的氧化还原活性位点和高效的离子扩散路径。三元组分和空心结构的协同效应显著改善了电极材料的电化学性能。