氨基功能化与Zn2+预掺杂多层MXene原位构建NiCo2S4协同提升不对称超级电容器性能

针对MXene材料因层间堆叠导致的活性位点减少、离子传输受阻等问题，研究人员通过氨基功能化与Zn2+预掺杂策略，原位生长NiCo2S4纳米颗粒，构建Zn-N-MX/NCS复合电极。该材料在1 A g?1下展现1546.76 F g?1的高比电容，组装的ASC器件能量密度达53.3 Wh kg?1，为高性能储能材料设计提供新思路。

　　

超级电容器因其高功率密度和长循环寿命被视为下一代储能器件，但低能量密度始终是制约其应用的瓶颈。MXene材料凭借超高导电性和可调表面化学性质成为研究热点，但其易堆叠的特性导致活性位点减少、离子扩散路径延长。更棘手的是，表面含氧/氟等官能团会引发不可逆副反应，进一步降低性能。如何通过多维度协同调控解决这些问题，成为突破MXene应用壁垒的关键。

吉林省科技厅资助的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，提出“氨基功能化-Zn^{2+预掺杂-原位硫化”三步策略。首先利用KH550硅烷偶联剂将氨基锚定在Ti₃C₂T_x表面形成N-MX，通过氨基的立体支撑作用扩大层间距；随后借助氨基与Zn2+的配位作用稳定嵌入金属离子，构建Zn-N-MX基底；最终在层间原位生长NiCo₂S₄(NCS)纳米颗粒，形成“双快车道”离子传输网络。研究采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)验证材料结构，通过循环伏安(CV)和恒流充放电(GCD)测试电化学性能。}

结果与讨论

1. 材料设计与合成：氨基修饰使MXene层间距从1.26 nm增至1.48 nm，Zn²⁺嵌入后进一步扩展至1.83 nm。XPS证实Zn-N配位键形成，有效抑制离子脱嵌过程中的结构坍塌。

2. 形貌调控：SEM显示NiCo₂S₄以50-80 nm颗粒均匀分散于MXene层间，避免了传统复合材料的团聚现象。这种独特结构为电子转移和离子扩散提供连续通道。

3. 电化学性能：在6 M KOH电解液中，Zn-N-MX/NCS的比电容达1546.76 F g^?1（1 A g^?1），较未修饰样品提升18%。动力学分析表明，电容贡献率从MX/NCS的68%提升至83%，证实氨基-Zn²⁺协同作用促进了赝电容行为。

4. 器件集成：组装的Zn-N-MX/NCS//AC不对称超级电容器在800 W kg^?1下实现53.3 Wh kg^?1的能量密度，5000次循环后容量保持率87.7%，远超同类研究水平。

结论与意义
该研究通过“化学修饰-离子插层-纳米复合”多级调控策略，首次实现MXene基材料的导电性、层间距和界面化学的协同优化。氨基功能化不仅降低Zn²⁺嵌入势垒，其配位作用更稳定了层间结构；而NiCo₂S₄的原位生长构建了电子/离子双连续传输网络。这种多维性能优化思路为开发高能量密度储能器件提供了普适性方法，其技术路线可延伸至其他二维材料体系。研究成果对推动超级电容器在新能源汽车、智能电网等领域的应用具有重要实践价值。