用于超高容量超级电容器的无粘合剂类ZnO/碳酸镍氢氧化物的绿色合成方法（该材料具有类似卷心菜的形态）

《Journal of Energy Storage》：Green synthesis of cabbage-like binder-free ZnO/nickel carbonate hydroxides for ultrahigh-capacity supercapacitors

以L-抗坏血酸为形态 directing剂，水热合成具有三维 cabbage-like结构的ZnO/NiCH纳米复合材料，其电极在2 A g?1下比电容达1445 C g?1，组装成对称电容器比电容128 F g?1，能量密度45.5 W h kg?1，功率密度16 kW kg?1，循环5000次后容量保持82.2%。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的高性能超级电容器电极材料，通过合成一种由氧化锌（ZnO）和镍碳酸氢盐（NiCH）组成的纳米复合材料，旨在解决可再生能源供应不稳定的问题。随着全球能源需求的不断上升，尤其是由于人口增长和经济发展带来的压力，传统的化石燃料如煤炭和石油正面临越来越大的环境和可持续性挑战。因此，寻找一种高效、环保的能源存储方式成为当前研究的热点之一。超级电容器因其高功率密度、高能量密度以及长循环寿命而被认为是极具潜力的解决方案。

在研究过程中，科学家们采用了一种名为“水热合成”的方法，这是一种既高效又经济的材料制备技术。水热合成法通常在高温高压的水溶液中进行，能够促使材料在特定条件下生长。在此研究中，ZnO和NiCH的复合材料通过水热法直接合成，而无需添加任何粘结剂，这有助于提高电极的导电性和整体性能。此外，研究团队还使用了一种名为L-抗坏血酸（LAA）的绿色还原剂，它不仅能够调控材料的形貌，还作为碳酸离子的来源，进一步优化了复合材料的结构和电化学特性。

通过水热法，研究团队成功地获得了具有均匀分布的纳米结构的ZnO/NiCH复合材料。这些纳米结构以MCH（金属碳酸氢盐）阵列的形式生长，并在Ostwald ripening（奥斯特瓦尔德熟化）过程中进一步演化，最终形成了类似卷心菜的三维结构。这种独特的形貌不仅增强了材料的表面活性，还提供了更广阔的离子传输通道，从而提高了超级电容器的充放电效率。此外，由于材料的非晶结构，其内部缺陷有助于增强离子和电子的传输能力，进一步提升了整体的电化学性能。

在电化学性能方面，ZnO/NiCH复合材料表现出优异的比电容特性。在2 A g?1的电流密度下，其比电容达到了1445 C g?1（3210 F g?1），这表明该材料在高功率条件下依然能够保持较高的能量存储能力。同时，研究团队还构建了一种不对称的混合超级电容器装置，该装置由正极的ZnO/NiCH复合材料和负极的还原氧化石墨烯（rGO）组成。这种不对称结构不仅提高了电容器的比电容，还显著提升了其能量密度和功率密度，分别达到了45.5 W h kg?1和16 kW kg?1。这种优异的性能使得该超级电容器在实际应用中具有更高的可行性。

此外，研究团队对ZnO/NiCH复合材料的长期循环稳定性进行了评估。在10 A g?1的电流密度下，经过5000次循环后，该电容器的容量保持率仍高达82.2%，并且库仑效率保持在100%。这一结果表明，ZnO/NiCH复合材料在反复充放电过程中表现出良好的稳定性和可逆性。这不仅有助于延长超级电容器的使用寿命，还降低了其在实际应用中的维护成本。

从材料设计的角度来看，ZnO和NiCH的协同作用是实现高性能的关键因素之一。ZnO因其优异的导电性和高理论比电容（2963 F g?1）而受到广泛关注，而NiCH则因其高理论比电容（1826 F g?1）、低成本、热稳定性以及环境友好性而被认为是超级电容器的理想电极材料。通过将两者结合，研究团队成功地提高了复合材料的比电容和导电性，同时通过非晶结构的引入，增强了其内部的离子传输能力。

在实验过程中，研究团队采用了一系列先进的表征技术，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及电化学测试等。这些技术不仅帮助研究人员确认了材料的结构和形貌，还提供了其电化学性能的详细数据。例如，XRD分析显示了材料的非晶结构，而SEM和TEM图像则揭示了其独特的卷心菜形貌。这些结果为后续的性能优化提供了重要的理论依据。

在实际应用方面，ZnO/NiCH复合材料不仅适用于超级电容器，还可能在其他领域发挥重要作用。例如，该材料可以用于过滤系统、纳米发电机以及锂离子电池等。这些应用表明，ZnO/NiCH复合材料具有广泛的适用性，不仅限于单一的能源存储功能。同时，由于其优异的电化学性能和环境友好性，该材料在可持续能源技术的发展中具有重要的前景。

此外，研究团队还对材料的合成过程进行了优化，以提高其生产效率和成本效益。水热法作为一种绿色合成方法，能够在常温常压下进行，减少了对高温高压设备的依赖，同时也降低了能耗和环境污染。这种合成方法不仅适用于实验室研究，还具有实际应用的潜力，特别是在大规模生产中。

在材料的性能评估中，研究团队发现ZnO/NiCH复合材料在高电流密度下依然能够保持较高的比电容。这表明该材料具有良好的动力学性能，能够在短时间内实现较高的能量存储和释放。同时，由于其非晶结构，材料在充放电过程中表现出较低的极化现象，进一步提高了其电化学性能。

综上所述，这项研究通过合成一种具有独特三维结构和非晶特性的ZnO/NiCH纳米复合材料，成功地提高了超级电容器的比电容和能量密度。同时，该材料在长期循环过程中表现出良好的稳定性，这为其实现商业化应用提供了重要的支持。研究团队采用的水热合成方法不仅高效，还具有环保和可持续性优势，为未来的研究提供了新的思路和方向。此外，该材料的广泛适用性也表明，其不仅在超级电容器领域具有重要价值，还可能在其他能源存储和转换技术中发挥重要作用。