镍钴层状双氢氧化物/普鲁士蓝类似物异质结构的设计及其高性能超级电容器应用

本研究针对镍钴层状双氢氧化物（NiCo-LDH）作为超级电容器电极材料时存在的导电性差、体积膨胀和循环稳定性不足等问题，通过电沉积结合离子交换法构建了NiCo-LDH/普鲁士蓝类似物（PBA）异质结构。优化后的材料在2 A g?1下展现出1973.0 F g?1的高比电容，组装的非对称超级电容器能量密度达66.3 Wh kg?1，循环9000次后容量保持率80.7%，为高性能储能器件开发提供了新策略。

　　

随着全球能源结构转型加速，开发高效稳定的储能技术成为解决化石能源环境问题的重要途径。超级电容器（SCs）因其功率密度高、循环寿命长等特点备受关注，但其能量密度不足制约了实际应用。镍钴层状双氢氧化物（NiCo-LDH）作为明星电极材料，虽具有理论比电容高、成本低等优势，却面临导电性差、充放电过程中体积膨胀导致结构坍塌等瓶颈问题。如何通过材料设计突破这些限制，成为当前研究的关键挑战。

针对这一科学问题，来自中国的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表创新成果。研究人员采用电沉积法在泡沫镍（NF）基底上生长NiCo-LDH纳米片，随后通过离子交换在其表面构建普鲁士蓝类似物（PBA）保护层，成功制备出NiCo-LDH/PBA异质结构材料。通过精确调控离子交换时间（12-18小时），获得了具有球形花状形貌的优化材料，其独特的结构不仅暴露出大量氧化还原活性位点，还显著提升了材料的结构稳定性。

关键技术方法包括：1）三电极体系电沉积制备NiCo-LDH纳米片；2）离子交换法原位生成PBA涂层；3）通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等表征材料形貌与结构；4）采用循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD）测试电化学性能；5）组装非对称超级电容器进行全器件评估。

【Synthesis of NiCo-LDH】
通过控制Co(NO₃)₂·6H₂O和Ni(CH₃COO)₂·4H₂O电解质浓度（0.04 M/0.16 M），在-1.0 V电位下电沉积600秒，获得具有褶皱层状结构的NiCo-LDH前驱体。

【Structure investigation】
SEM分析显示，12小时离子交换后材料开始呈现凸起结构，18小时时形成理想的球形花状形貌。这种分级结构使比表面积显著增加，XRD证实成功引入PBA的晶格特征峰（2θ=17.5°和24.8°），FTIR光谱中检测到-C≡N-特征振动峰（2084 cm^?1），验证了异质结构的形成。

【Electrochemical measurements】
在三电极体系中，NiCo-LDH/PBA(18 h)在2 A g^?1电流密度下比电容达1973.0 F g^?1，10 A g^?1时仍保持1604.4 F g^?1，优于纯NiCo-LDH（分别降低34.7%和41.2%）。电化学阻抗谱（EIS）显示PBA修饰使电荷转移电阻（R_ct）从1.8 Ω降至0.6 Ω。

【Device performance】
组装的NiCo-LDH/PBA//AC非对称超级电容器在725.0 W kg^?1功率密度下实现66.3 Wh kg^?1的能量密度，9000次循环后容量保持率80.7%，显著优于未修饰器件（容量衰减达42.3%）。

研究结论表明，PBA的引入通过三维开放骨架结构有效抑制了NiCo-LDH在循环中的团聚和体积膨胀，其优异的铁氰化物配体（-C≡N-）电子传输通道大幅提升了材料导电性。该工作不仅为破解LDH基材料稳定性难题提供了新思路，其提出的"电沉积-离子交换"协同策略对设计其他高性能储能材料具有普适性指导价值。国家自然科学基金等项目的支持保障了研究的深入开展，相关成果对推动可再生能源配套储能技术发展具有重要意义。