微波辅助合成NiFe-LDH/PANI复合电极及其在超级电容器中的电化学性能研究

为应对能源危机和环境挑战，研究人员通过微波辅助法合成聚苯胺(PANI)修饰的镍铁层状双氢氧化物(Ni-Fe LDH)复合电极材料。该材料展现出2287 F g?1的高比电容和89%的循环稳定性，组装的非对称超级电容器实现22 Wh kg?1的能量密度。该研究为高效储能器件开发提供了新思路。

　　

随着全球能源危机和环境问题加剧，开发高效可持续的储能技术成为迫切需求。尽管电池技术取得进展，但其仍面临充电速度慢、寿命短等瓶颈。超级电容器因其高功率密度和快速充放电特性成为研究热点，其中基于法拉第反应的赝电容器材料——如层状双氢氧化物(LDH)和导电聚合物——展现出独特优势。然而，传统LDH半导体特性限制了其实际应用，如何通过材料复合提升性能成为关键科学问题。

智利圣地亚哥大学的研究团队创新性地采用微波辅助法将聚苯胺(PANI)与镍铁LDH(Ni-Fe LDH)复合，成功制备出高性能电极材料。研究发现，PANI的引入显著提升了材料的导电性和比表面积，使复合电极在1 A g^?1电流密度下获得2287 F g^?1的超高比电容，组装的非对称超级电容器展现出22 Wh kg^?1的能量密度和5000次循环后89%的容量保持率。该成果发表于《Inorganic Chemistry Communications》，为下一代储能器件开发提供了重要参考。

研究采用微波辅助快速合成技术，通过X射线衍射(XRD)和电化学测试等手段表征材料结构性能。关键步骤包括：优化Ni/Fe摩尔比调控LDH层状结构，原位聚合PANI构建三维导电网络，以及通过循环伏安法(CV)和恒电流充放电(GCD)评估储能性能。

结果与讨论

1. 结构表征：XRD证实成功合成具有(003)、(006)晶面的LDH相，20.6°衍射峰表明PANI的(020)晶面存在，FTIR显示PANI的C=N键与LDH金属羟基的协同作用。
2. 形貌分析：SEM显示5% PANI含量的NiFe-5样品形成多孔纳米片结构，比表面积达189 m² g^?1，优于纯LDH的76 m² g^?1。
3. 电化学性能：三电极体系中，NiFe-5在6 M KOH电解液中展现最小电荷转移电阻(1.2 Ω)，其比电容是纯LDH的2.3倍，归因于PANI提供的额外赝电容和离子扩散通道。
4. 器件测试：以活性炭为负极组装的非对称器件，在2500 W kg^?1功率密度下实现22 Wh kg^?1能量密度，优于多数报道的LDH基器件。

结论与意义
该研究通过微波辅助法实现了Ni-Fe LDH/PANI的高效复合，证实PANI可同时提升材料的导电性和结构稳定性。其创新点在于：首次报道微波法在5分钟内完成LDH/PANI复合；阐明PANI含量与电容性能的"火山型"关系；开发的固态器件兼具高能量/功率密度。这项工作不仅为LDH基复合材料合成提供了新范式，更为解决储能器件的成本与性能矛盾提供了可行方案，对推动可再生能源发展具有重要实践价值。研究团队特别指出，未来可通过调控PANI聚合度进一步优化界面电荷传输，这为后续研究指明了方向。