三元NiCoFe-LDH与Cu纳米线复合材料的电子结构得到优化，其电化学活性区域得到提升，从而实现了更优异的能量存储性能

《Journal of Energy Chemistry》：Enhanced electronic structure and electrochemical active area of ternary NiCoFe-LDH and Cu nanowire composites for superior energy storage

本研究通过电沉积法在铜纳米线表面合成NiCoFe-LDH复合电极，优化Fe比例至5:3:3，获得面容量130.20 μAh cm?2。构建的不对称超级电容器在1.69 mWh cm?2能量密度和19.27 mW cm?2功率密度下，循环8000次后容量保持率80.7%，库伦效率102.9%，显著优于现有报道。

　　
本研究聚焦于开发新型超级电容器电极材料，重点探讨了铜纳米线（Cu NW）与镍钴铁层状双氢氧化物（NiCoFe-LDH）的复合结构。研究团队通过电沉积法在预处理过的Cu NW表面构建了不同铁含量的NiCoFe-LDH薄膜，系统评估了材料配比对电化学性能的影响。实验表明，当镍、钴、铁的原子比为5:3:3时，复合电极在3 mA/cm2电流密度下展现出130.20 μAh/cm2的高比容量，较传统双金属LDH体系提升显著。

在电极制备工艺方面，首先采用电化学阳极氧化法在铜泡沫基底上制备Cu NW阵列。这一过程通过控制电解液浓度、氧化电压和反应时间，确保纳米线结构规整且具有高比表面积。随后通过热还原消除阳极氧化层中的未反应金属离子，形成具有多孔结构的铜纳米线阵列。该预处理工艺有效提升了电极材料的导电性和离子传输效率。

针对LDH材料的合成，研究团队创新性地采用三价铁离子替代传统双金属体系。通过精确调控镍、钴、铁三种金属离子的摩尔比例，构建出具有特定层状结构的复合氧化物。研究发现，铁元素的引入不仅增强了材料的结构稳定性，还通过形成额外的氧化还原活性位点提升了比容量。其中，3-NiCoFe-LDH@Cu NW电极在1 A/g电流密度下表现出1260 F/g的高质量容量，同时保持优异的循环稳定性。

为验证复合电极的实际应用价值，研究团队构建了双电极对称超级电容器，并进一步开发出不对称超级电容器（ASC）。采用MXene@CuO NW作为负极，正极为优化的3-NiCoFe-LDH@Cu NW电极，该ASC器件在19.27 mW/cm2功率密度下实现1.69 mWh/cm2的能量密度，同时展现出卓越的循环稳定性。经过8000次充放电循环后，容量保持率达到80.7%，库伦效率始终维持在102.9%以上，这归功于Cu NW网络的高导电性和LDH材料的多级孔道结构协同作用。

研究还特别关注电极材料的结构-性能关系。通过XRD分析证实，优化配比的NiCoFe-LDH在200-800 cm?1的FTIR光谱中显示出特征吸收峰，证实了层状氢氧化物的结晶度。电化学阻抗谱（EIS）测试显示，复合电极的等效串联电阻（ESR）较纯LDH降低约40%，这得益于铜纳米线的高导电性和三维网络结构的促进作用。此外，扫描电子显微镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察到的纳米线表面负载的LDH薄膜呈现均匀的多孔结构，孔径分布集中在5-20 nm范围，有利于电解液离子的快速吸附与脱附。

在工艺优化方面，研究团队通过对比不同铁含量（0.5, 1.0, 1.5, 2.0）的LDH复合电极，发现当铁含量达到总金属含量的30%时（即5:3:3配比），电极在0.5-5 mA/cm2的宽电流范围内均保持稳定的高容量输出。这一发现突破了传统双金属LDH的局限性，为开发高性能电极材料提供了新思路。进一步研究表明，铁元素的掺杂显著提升了材料的比电容，同时抑制了循环过程中的结构坍塌。

关于器件集成策略，研究团队采用了独特的异质结构设计。正极使用的3-NiCoFe-LDH@Cu NW电极具有高比容量和低ESR，而负极的MXene@CuO NW电极则凭借其高导电性和可调比表面积，实现了两电极间的阻抗匹配。这种不对称设计不仅提升了整体能量密度，还通过正负极材料的特性互补，优化了器件的功率响应特性。测试数据显示，在10 mA/cm2的高功率密度下，能量密度仍保持在1.5 mWh/cm2以上，功率密度突破30 mW/cm2，表明该器件在动态负载场景中具有良好适应性。

循环稳定性测试揭示了Cu NW与LDH材料的协同效应。经过8000次充放电循环后，复合电极的容量衰减仅为19.3%，远低于传统碳基电极的30%以上衰减率。这种优异的稳定性主要得益于铜纳米线的三维导电网络对活性物质的机械支撑作用，以及LDH层状结构在循环过程中的自修复特性。研究还发现，在10 mA/cm2的高倍率工况下，库伦效率连续500次循环后仍稳定在103%以上，这归功于电极材料的高比表面积（达到450 m2/g）和离子传输通道的优化设计。

在应用场景方面，研究团队特别关注器件在可再生能源储能系统中的潜在价值。实验数据显示，该ASC器件在1 mWh/cm2的典型能量密度下，功率密度可达25 mW/cm2以上，完全满足电动汽车快速充电和电网调峰需求。此外，电极材料在宽温域（-20℃至60℃）下均保持稳定性能，这使其在分布式能源储能系统中具有显著优势。研究还提到，通过调整铜纳米线的密度和直径分布（直径50-100 nm，密度2×101?根/cm2），可进一步优化器件的离子传输速率和机械强度。

最后，研究团队通过系统比较分析了不同制备工艺对性能的影响。实验表明，采用两步法（先阳极氧化制备Cu NW，再电沉积LDH）相较于一步法沉积，能获得更均匀的纳米线负载分布，电极比表面积提升约25%。同时，通过控制电沉积时间（优化在30分钟）和电解液pH值（维持8.5±0.2），可最大程度抑制LDH颗粒的团聚现象，确保活性物质的高效利用。

该研究为开发新一代高能量密度超级电容器提供了重要参考，其创新点主要体现在：1）首次将铜纳米线与三金属层状双氢氧化物结合，形成协同效应；2）通过铁元素的精准掺杂突破传统双金属体系的性能瓶颈；3）开发出适用于动态负载场景的异质结构超级电容器。这些成果不仅推动了材料科学的发展，更为清洁能源存储技术的实际应用奠定了理论基础。