层间工程化MXene限域CoGa-LDH异质结构实现钾离子超级电容器超快电荷转移动力学

为解决传统MXene复合材料存在的分散不均、电荷重分布缓慢及界面耦合弱等问题，研究人员通过Peltier效应驱动的旋转水热合成法构建了CoGa-LDH/MXene异质结构，实现了层状双氢氧化物（LDH）在MXene层间的原子级限域生长。该材料展现出1345.3 F/g的比电容和6000次循环后85.13%的容量保持率，组装的非对称超级电容器（ASC）能量密度达77.4 Wh/kg。此研究为高能量密度储能器件设计提供了新思路。

　　

随着全球能源结构向可持续方向转型，电化学储能器件的高能量密度与快速充放电性能成为研究焦点。超级电容器（SCs）因其毫秒级响应和超长循环寿命，在再生制动、电网调频等领域展现出优势，但受限于传统电极材料的物理电荷存储机制，其能量密度远低于电池。钾离子储能系统因钾资源丰富且氧化还原电位低成为研究热点，但面临离子扩散动力学缓慢和电极结构退化等挑战。层状双氢氧化物（LDH）因其可调控的氧化还原化学和层状结构备受关注，而MXene（二维过渡金属碳/氮化物）的金属级导电性和亲水表面为LDH提供了理想载体。然而，传统复合方法制备的材料存在界面耦合弱、活性位点暴露不足等问题，严重制约性能突破。

为解决上述问题，研究人员通过Peltier效应驱动的旋转水热合成技术，将钴镓双金属氢氧化物（CoGa-LDH）限域生长于Ti₃C₂T_x MXene层间，构建了原子级界面耦合的异质结构。研究系统优化了Co/Ga比例，结合密度泛函理论（DFT）计算揭示了界面电荷分布机制，并通过非对称超级电容器（ASC）器件验证了实际应用潜力。

关键实验方法

1. 材料合成：采用HCl/HF蚀刻Ti₃AlC₂制备多层MXene，通过旋转水热法在碱性条件下将Co²⁺/Ga³⁺前驱体锚定于MXene表面。
2. 结构表征：利用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）分析晶体结构与形貌。
3. 电化学测试：采用三电极体系测试比电容和循环稳定性，组装ASC器件评估能量/功率密度。
4. 理论计算：通过DFT模拟异质界面钾离子吸附能与电荷分布。

研究结果
Materials
实验选用Ga(NO₃)₃·xH₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O作为金属源，Ti₃AlC₂经HF蚀刻后得到Ti₃C₂T_x MXene基底。

Results and discussion

1. 结构设计：Co₁Ga₁-LDH/MXene异质结构通过Co-O-Ga键合网络实现LDH在MXene层间的均匀分散（图1a），XRD显示（003）晶面间距扩大至0.78 nm。
2. 性能优势：优化后的材料比电容达1345.3 F/g，DFT计算表明异质界面将K⁺吸附能提升至-2.36 eV，加速氧化还原动力学。
3. 器件表现：组装的ASC在1125 W/kg功率密度下实现77.4 Wh/kg能量密度，可快速驱动商用电子设备。

Conclusion
该研究通过界面工程策略解决了MXene自堆叠和LDH颗粒聚集的难题，CoGa-LDH的Ga-O键（368 kJ/mol）显著提升了结构稳定性。异质结构的协同效应为设计高能量密度储能器件提供了普适性方案。

重要意义
此项工作发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，不仅阐明了MXene基材料的限域生长机制，更为碱性体系高能量密度超级电容器的开发奠定了理论基础。通过原子级界面调控和金属比例优化，实现了材料性能的突破，对推动电化学储能技术走向实际应用具有里程碑意义。