可控离子缓冲储层的镍铁层状双氢氧化物（NiFe-LDH）在超级电容器中的性能优化研究

本研究针对层状双氢氧化物（LDHs）作为超级电容器电极材料时孔隙结构优化不足的问题，通过模板蚀刻法成功制备了具有大孔结构的镍铁层状双氢氧化物（Macro-NiFe-LDH）。该材料作为离子缓冲储层显著提升了电容性能，在2 A g-1电流密度下比电容达414.4 F g-1，组装的Macro-NiFe-LDH//AC体系能量密度达16.2 Wh kg-1。该策略为LDHs材料设计提供了新思路。

　　

随着智能设备和新能源汽车的快速发展，能源存储技术面临前所未有的挑战。超级电容器因其独特的功率密度和循环稳定性，成为弥补传统电池与电容器性能差距的关键部件。然而，其核心电极材料——尤其是层状双氢氧化物（Layered Double Hydroxides, LDHs）的性能优化仍存在瓶颈。当前研究多集中于通过复合其他材料提升导电性，却忽视了孔隙结构对电化学性能的调控潜力。

山西基础研究计划支持的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表成果，创新性地采用二氧化硅球（SS）为模板，通过蚀刻法制备了具有大孔结构的镍铁层状双氢氧化物（Macro-NiFe-LDH）。该材料的大孔结构可作为离子缓冲储层，显著提升电荷存储效率。实验表明，Macro-NiFe-LDH在2 A g^-1电流密度下的比电容达414.4 F g^-1，远超普通NiFe-LDH；与活性炭（AC）组装的非对称超级电容器能量密度达16.2 Wh kg^-1，功率密度为525 W kg^-1，展现出卓越的综合性能。

关键技术方法包括：1）St?ber溶胶-凝胶法合成SiO₂纳米球模板；2）水热法在模板表面组装NiFe-LDH层；3）氢氧化钠选择性蚀刻模板构建大孔结构；4）三电极体系测试电化学性能。

NiFe-LDH assembly around SiO₂
通过精确控制镍源（NiCl₂·6H₂O）与铁源（Fe(NO₃)₃·9H₂O）的摩尔比，在SiO₂模板表面定向生长LDH纳米片，尿素水解提供碱性环境促进层状结构形成。

Materials characterization
SEM显示Macro-NiFe-LDH保留完整层状框架的同时形成直径约200 nm的贯通大孔，BET测试证实其比表面积达189 m² g^-1。XRD谱图中（003）晶面衍射峰偏移表明蚀刻过程未破坏LDHs晶体结构。

Conclusion
该研究突破传统复合改性思路，通过模板蚀刻构建的Macro-NiFe-LDH实现了三重优势：1）大孔结构缩短离子扩散路径；2）开放孔道缓解充放电过程中的体积膨胀；3）未反应的金属活性位点保持高法拉第反应活性。这种"结构-性能"协同调控策略为高性能LDHs电极设计提供了普适性方案，尤其适用于需要快速离子传输的混合型超级电容器系统。

值得注意的是，作者Huihui Wang团队在讨论部分强调，该方法可通过调整SiO₂模板尺寸实现孔径可控，未来可进一步探索孔径梯度化材料对多尺度离子传输的优化作用。该成果不仅推动了LDHs在能源存储领域的应用，其模板蚀刻策略对其它层状材料的孔隙工程也具有重要借鉴意义。