金属有机框架衍生的缺陷富集双金属铈/锰氧化物@碳纳米复合材料在电解水与超级电容器中的协同增效研究

为解决传统过渡金属氧化物在能源存储与转换领域存在的导电性差、活性位点不足等问题，研究人员通过溶剂热法合成Ce/Mn-MOF并衍生制备Ce/Mn-O@C纳米复合材料。该材料通过双金属协同效应和碳修饰策略，实现了533 Cg?1的高比容量（1 Ag?1）及187/210 mV的低HER/OER过电位，循环稳定性达89.5%（10,000次），为清洁能源器件开发提供新思路。

　　

能源危机与环境污染的加剧促使研究者探索高效、低成本的能源存储与转换材料。当前，超级电容器受限于低能量密度（2–10 Whkg^?1），而电解水制氢技术依赖昂贵的贵金属催化剂（如Pt、IrO₂）。过渡金属氧化物（如MnO₂、CeO₂）虽成本低廉，但存在导电性差、结构不稳定等问题。针对这些挑战，国内某研究团队在《Fuel》发表研究，通过金属有机框架（MOF）衍生策略设计了一种缺陷富集的双金属铈/锰氧化物@碳（Ce/Mn-O@C）纳米复合材料，显著提升了材料在超级电容器和电解水反应中的性能。

研究采用溶剂热法合成Ce/Mn-MOF前驱体，经300°C氩气氛围热处理获得Ce/Mn-O@C。通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料结构，并利用电化学工作站测试其储能与催化性能。

3.1 XRD分析
XRD证实Ce/Mn-O@C成功转化为CeO₂（JCPDS#00–001-0800）和α-Mn₂O₃（JCPDS#00–041-1442）混合相，碳壳的引入导致晶格畸变，形成丰富的氧空位缺陷。

3.2 XPS与拉曼光谱
XPS显示Mn^2+/3+/4+和Ce^3+/4+多价态共存，O 1s谱中531.2 eV峰证实氧空位存在。拉曼光谱中453.99 cm^?1（CeO₂ F_2g模）和631.80 cm^?1（Mn-O振动）的位移表明结构缺陷。

3.5 TEM与电化学性能
TEM显示70 nm核壳结构，碳壳抑制颗粒团聚（EDX显示C含量达32.8 wt%）。超级电容器测试中，材料在1 Ag^?1下展现533 Cg^?1比容量，能量密度48 Wh kg^?1（325 W kg^?1），10,000次循环后容量保持率89.5%。电解水性能方面，HER/OER过电位仅187/210 mV（10 mA cm^?2），Tafel斜率低至81/59 mV dec^?1，稳定性达78/60小时。

结论与意义
该研究通过MOF衍生策略构建的Ce/Mn-O@C核壳结构，利用双金属协同、碳导电网络和氧空位缺陷的协同效应，同时解决了超级电容器能量密度低和电解水催化剂成本高的问题。其核心创新点在于：①碳壳提升电子传导并稳定结构；②Ce/Mn多价态转换增强氧化还原活性；③氧空位促进羟基吸附动力学。这项工作为设计多功能能源材料提供了新思路，推动氢能经济与高效储能器件发展。