革新能源存储技术：用于超级电容器的可调谐聚吡咯/MXene电极

《Sustainable Materials and Technologies》：Revolutionizing energy storage: Tunable polypyrrole/MXene electrodes for supercapacitors

超级电容器电极开发中，采用镍泡沫作为低成本高导电性集流体，结合简易搅拌法制备PPy/MXene纳米复合电极，表现出高比电容（987.5 F/g）、高能量密度（548.6 Wh/kg）和功率密度（9000 W/kg），循环稳定性达91%，验证了均匀组分分布和强界面结合对提升离子/电子传输效率的协同作用。

　　在现代电子设备和可再生能源应用中，高功率密度和长期稳定性的能量存储装置是至关重要的。因此，开发高效的超级电容器电极材料成为研究热点。本研究聚焦于聚吡咯（PPy）/MXene纳米复合电极的制备与电化学特性分析，旨在探索其在能量存储系统中的应用潜力。研究的核心创新在于采用低成本、高导电性的镍泡沫作为电流收集体，并结合一种简单、可扩展的浆料铸造方法。实验结果表明，PPy/MXene复合电极在电化学性能上优于纯PPy和纯MXene电极，其在1.25 A g?1电流密度下实现了高达987.5 F g?1的比电容，同时具有548.6 Wh kg?1的能量密度和9000 W kg?1的功率密度。通过循环伏安法和恒流充放电测试，验证了该电极材料在电荷存储能力和速率性能方面的优异表现。电化学阻抗谱分析进一步表明，该复合电极具有较低的溶液电阻（R? = 2.89 Ω）和电荷转移电阻（R_ct = 49.5 Ω），而动电位极化测试则揭示了其出色的耐腐蚀性（E_corr = ?0.133 V，I_corr = 3.75 μA）。此外，该电极在5000次循环后仍能保持91%的比电容，显示出良好的长期稳定性。这些结果表明，PPy/MXene复合电极中均匀的组分分布和强的界面结合能够有效提升离子和电子的传输效率，使其成为高性能超级电容器电极材料的有力候选。

随着全球能源需求的增加以及化石燃料的枯竭，环境问题日益严峻，推动了对可持续和高效能量存储系统的开发。社会正逐步向电动汽车和便携式电子设备转型，因此对具有高功率密度、长循环稳定性和快速充放电能力的能量存储设备的需求也在不断上升。在众多能量存储技术中，超级电容器因其能够快速存储和释放能量、提供高功率输出以及具备出色的长循环稳定性而受到广泛关注。超级电容器通常根据其储能机制分为三类：电双层电容器（EDLCs）、赝电容器和混合超级电容器。在EDLCs中，能量主要通过电极与电解质界面处的静电荷积累来实现。而赝电容器则依赖于电极材料表面和/或体相中的快速可逆氧化还原反应。混合超级电容器则结合了多种储能机制，从而在保持高功率输出的同时提升了能量密度。超级电容器的效率和整体性能在很大程度上取决于所选用的电极材料，因为这些材料直接影响其比电容、储能能力和长期循环稳定性。然而，当前超级电容器的一个主要局限是其相对较低的能量密度。电极材料的特性，如碳化合物、电活性聚合物和过渡金属氧化物，显著影响其电化学性能。因此，对丰富且环保的电荷载体的关注，推动了对能够实现高效率、高耐用性和实际应用的电极材料的研发。

为了提升超级电容器的性能，研究者们致力于优化碳纳米纤维材料的孔结构，以增加离子可接触的表面积。研究表明，通过掺杂工程构建分层多孔结构可以增强离子的传输和存储能力，为高性能和耐用的超级电容器电极提供了一种有前景的方法。在层状电极结构中引入纳米通道能够加快离子的运动，从而提高比电容保持率和速率性能。近年来，研究者们探索了通过水热法合成的镍硫化物基电极作为高性能超级电容器的候选材料。同时，也有研究报道了通过溶剂热法合成的介孔SnO?电极，在随后的退火处理后表现出良好的性能，显示出其在高性能超级电容器应用中的潜力。

针对高性能电极材料的深入研究，促使科学家们关注二维（2D）纳米材料和导电聚合物，因为这些材料以其独特的电化学特性而著称。研究表明，优化水性体系中的离子动力学和充放电稳定性是提升能量存储效率的关键，从而推动其在实际应用中的可行性。过渡金属氧化物及其复合材料也被广泛研究作为潜在的电极材料，特别是在水性铵离子电池中，显示出良好的比容量和循环稳定性。继石墨烯材料之后，研究者们开始关注其他类型的二维材料，如δ-MnO?、MoS?和MXene。这些材料不仅提供了丰富的表面化学反应机会，还因其独特的“平面”物理特性而备受关注，尤其是在与碳材料相比时。在二维材料中，MXene因其优异的导电性、亲水性和大比表面积而受到广泛关注，这些特性共同促进了高效的电荷存储和离子传输。MXene的通用化学式为M???X?T?（n = 1–3），其中M代表过渡金属，如Ti、Zr、V、Sc、Hf、Nb、Mo、Ta、Cr等，X代表碳或氮，而T?表示表面终止基团，如–OH、-O或-F等。MXene表面的终止基团使其具有特定的化学性质，而过渡金属在常温下可能不会保持未修饰状态。这些表面终止基团与MXene本身固有的导电性相结合，使其能够表现出金属和半导体的双重特性。这些特性使得MXene在超级电容器电极中具有快速电荷迁移和良好的离子迁移能力，从而展现出优越的性能。

为了进一步提升超级电容器的性能，研究者们将目光投向了MXene与导电聚合物的结合。通过将MXene的高导电性与PPy的广阔比表面积相结合，有望实现更高的赝电容，从而成为提升能量存储性能的一种有效策略。在这样的混合系统中，MXene片层作为导电框架，能够提升PPy的电子传输能力并缓解其机械性能的劣化，而PPy则可以防止MXene在电极制备过程中的重叠，从而提高其与电解质的接触面积和稳定性。例如，Zhu等人开发了一种自由站立的PPy/l-Ti?C? MXene复合薄膜，其比电容达到了203 mF cm?2（406 F cm?3），但MXene层有效防止了PPy的堆叠，从而提高了电解质的接触面积和稳定性。该复合材料在弯曲和长期循环测试中仍能保持稳定的性能。Dan等人则通过原位聚合方法合成了PPy纳米球/Ti?C?-MXene（PPy/Ti?C?）复合电极，而Jian等人则采用了一步共电沉积法。在他们的方法中，吡咯单体阳离子（Py?）逐渐在二维Ti?C?T?-MXene纳米层的表面和层间空间进行聚合，形成了基础的聚合物结构。尽管这种混合体系具有诸多优势，但现有的PPy/MXene复合材料仍面临一些关键挑战，主要在于如何实现MXene与PPy之间的均匀分散和强界面相互作用。例如，缺乏均匀分布会导致材料聚集、覆盖不全或界面结合弱，从而影响复合材料的电化学性能。此外，许多制备方法复杂、苛刻或难以规模化，限制了其在实际应用中的可行性。结构稳定性和长期耐久性仍是研究者关注的重点，因为高初始比电容往往在长期循环中出现性能下降。此外，优化MXene与PPy的比例以平衡导电性、比电容和稳定性仍是一个未充分探索的领域，许多方法缺乏可重复性，影响了其在现实应用中的推广。

针对上述研究空白，本研究开发了PPy/MXene复合电极材料，并通过一系列实验验证了其性能。据我们所知，这是首次通过一种简单、可扩展的浆料铸造方法直接制备PPy/MXene复合电极，并将其应用于低成本、高导电性的镍泡沫基底上，从而获得了一种全新的电极结构。该方法确保了PPy与MXene之间的均匀分布和强界面结合，进一步提升了复合材料的电化学性能。研究还对复合材料的电化学特性进行了深入分析，提出了增强比电容并保持循环稳定性的新策略。通过这种材料设计，研究人员期望为高性能超级电容器提供一种新的解决方案，推动其在实际应用中的可行性。