多层NiCo-MOF@MnO2异质结构的理性构建及其在非对称超级电容器中的电荷存储优化

为解决MnO2材料离子传输效率低、MOFs导电性差等问题，研究人员通过创新性合成策略构建了NiCo-MOF@MnO2/AC异质结构电极（NCM@MO-1）。该电极展现出15.2 F/cm2的高比电容和85.67%的循环稳定性，组装的非对称超级电容器（ASC）能量密度达1.191 mWh/cm2，为高性能储能器件开发提供了新思路。

　　

随着可再生能源的间歇性问题日益突出，开发高效储能设备成为实现"双碳"目标的关键。超级电容器因其快速充放电、长寿命等优势备受关注，但低能量密度始终是制约其应用的瓶颈。锰氧化物(MnO₂)虽具有高达1370 F/g的理论电容，却受限于离子扩散速率和结构稳定性；金属有机框架(MOF)材料虽具备高比表面积，但本征导电性差。如何通过材料设计协同解决这两类材料的缺陷，成为储能领域的重要课题。

广西自然科学基金资助的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，提出了一种多层NiCo-MOF@MnO₂异质结构的理性构建策略。通过MnO₂预处理和钴碳酸氢盐前驱体调控，在活性碳布(AC)上成功制备出自支撑电极NCM@MO-1。研究采用水热合成、原位生长等技术，系统比较了Co-CH@MO、MO等对照样品的性能差异。

结果与讨论
材料制备与表征：通过KMnO₄/HCl反应在AC上垂直生长MnO₂纳米片，再经尿素分解产生的CO₃^2-引导形成放射状Co-CH@MO纳米花。这种独特的"纳米针-纳米片"交错结构使比表面积提升3倍。

电化学性能：NCM@MO-1在2 mA/cm²下展现15.2 F/cm²的比电容，50 mA/cm²时仍保持9.91 F/cm²，优于纯MnO₂电极（约5.8 F/cm²）。异质结构使电荷转移电阻降低至0.8 Ω，离子扩散系数提高2个数量级。

器件性能：组装的NCM@MO-1//AAC非对称超级电容器在1.715 mW/cm²功率密度下实现1.191 mWh/cm²的能量密度，10000次循环后容量保持率达85.67%，显著优于传统MnO₂基器件（通常<70%）。

结论
该研究通过MnO₂基底诱导和前驱体调控的双重策略，实现了MOF形貌的精确控制。NiCo-MOF与MnO₂的协同作用不仅提高了材料导电性，还通过缩短离子扩散路径显著提升了MnO₂的离子利用率。所制备的异质结构电极将理论电容转化率从常规的30%提升至89%，为开发新一代高性能超级电容器提供了重要参考。研究获得广西科技发展专项(AD25069078)等基金支持，Jien Li为通讯作者。