PANI负载Bi2 Se3 -Sm2 O3 三元复合材料的电化学性能及其在超级电容器电极中的创新应用

本研究针对化石能源枯竭与可再生能源不稳定的问题，通过水热法合成PANI负载的Bi2 Se3 -Sm2 O3 三元复合材料，开发高性能超级电容器电极。该材料在1 M KOH电解液中展现出633 Fg?1 的比电容、7.92 Wh Kg?1 的能量密度及98%的库仑效率，循环5000次后容量损失仅9.25%，为下一代储能器件设计提供新思路。

　　

在全球能源结构转型的背景下，化石燃料的不可持续性与可再生能源（如太阳能、风能）的间歇性缺陷，催生了高效储能技术的迫切需求。超级电容器作为介于传统电容器与电池之间的储能器件，兼具高功率密度和快速充放电特性，但其能量密度不足仍是瓶颈。当前，RuO₂
等贵金属氧化物虽性能优异但成本高昂，MnO₂
则受限于导电性差的问题。与此同时，铋硒化物(Bi₂
Se₃
)因其独特的拓扑绝缘体结构和0.2–0.3 eV窄带隙展现出理论比电容达884 Fg^?1
的潜力，而氧化钐(Sm₂
O₃
)的4f电子构型赋予其优异的氧化还原活性，但两者单独使用时存在活性位点不足或易团聚的缺陷。

为解决上述问题，来自中国的研究团队通过水热法和氧化聚合法，首次构建了聚苯胺(PANI)负载的Bi₂
Se₃
-Sm₂
O₃
三元复合材料，并系统评估其储能性能。研究发表于《Journal of Energy Storage》，揭示了该材料通过协同效应显著提升电化学性能的机制。

关键技术方法

1. 水热合成：制备Bi₂
   Se₃
   和Sm₂
   O₃
   纳米结构；
2. 氧化聚合：构建PANI导电网络；
3. 复合组装：将金属化合物与PANI结合形成三元体系；
4. 电化学测试：采用三电极体系在1 M KOH电解液中评估比电容、能量密度及循环稳定性。

研究结果

XRD分析
复合材料的XRD图谱显示Bi₂
Se₃
为菱方晶系(R-3m)，Sm₂
O₃
为立方相(Ia-3)，而复合后出现PANI的特征峰，证实三元结构成功构建。

电化学性能

• 比电容：GCD测试显示复合材料在1 Ag^?1
  电流密度下比电容达633 Fg^?1
  ，显著高于单一组分；
• 能量/功率密度：能量密度为7.92 Wh Kg^?1
  （功率密度0.074 KW Kg^?1
  ）；
• 循环稳定性：5000次循环后容量保持率90.75%，Rs值低至785 mΩ，表明界面电荷传输高效。

结论与意义
该研究通过PANI的导电网络与Bi₂
Se₃
-Sm₂
O₃
的赝电容行为协同，解决了金属化合物导电性差和活性位点不足的核心问题。复合材料的多孔结构（比表面积3293 cm²
）和快速质子迁移通道，使其成为目前报道中性能最优的Bi₂
Se₃
基电极之一。这一成果为设计低成本、高能量密度的超级电容器电极提供了新策略，尤其适用于柔性电子设备和大规模储能系统。