锰铬金属有机框架与钴镍铁层状双氢氧化物复合材料的电沉积合成及其超级电容器性能研究

为解决能源存储系统革新需求，研究人员通过电沉积法合成锰铬金属有机框架(MnCr-MOF)与钴镍铁层状双氢氧化物(CoNiFe-LDH)复合材料。该复合电极在3电极体系中展现出296 mAh g-1的高比容量，组装的MOF-20 min@CoNiFe-LDH//AMH器件在2电极体系中实现76.6 Wh kg-1的能量密度和81.2%的循环稳定性。该研究为开发高性能超级电容器电极材料提供了新策略。

　　

随着全球能源结构转型的加速，开发高效稳定的储能技术成为科研界焦点。超级电容器(Supercapacitor)因其功率密度高、循环寿命长等优势，被视为锂离子电池(LIBs)的重要补充。然而，电极材料的导电性差、结构稳定性不足等问题严重制约其性能突破。金属有机框架(MOF)虽具有多孔性和高比表面积，但本征导电性差；层状双氢氧化物(LDH)虽富含氧化还原活性位点，却易发生结构坍塌。如何通过材料复合与制备工艺创新解决这一矛盾，成为该领域的关键科学问题。

南非国家研究基金会(NRF)与意大利合作的Bilateral项目团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，采用计时电位法电沉积(Chronopotentiometry electrodeposition)技术，在镍泡沫(NF)基底上依次沉积锰铬MOF(MnCr-MOF-τ)和钴镍铁LDH(CoNiFe-LDH)，构建分级多孔复合材料。通过调控沉积时间(τ=10/20/30分钟)，发现20分钟样品(MOF-20 min)具有最优异的三维孔隙结构，其与LDH复合后形成MOF-20 min@CoNiFe-LDH电极，展现出协同增强效应。

关键技术包括：1) 双步电沉积法精确控制材料形貌；2) 采用3电极体系测试电化学性能；3) 以2 M KOH为电解液评估器件性能；4) 使用Amarula果壳制备的活性炭(AMH)作为负极组装非对称超级电容器。

材料表征与微观结构分析
扫描电镜(SEM)显示MnCr-MOF-10 min呈稀疏的八面体纳米晶(d≈100±5 nm)，MOF-20 min形成互联多孔网络，而MOF-30 min出现结构塌陷。X射线衍射(XRD)证实复合材料成功保留MOF的晶体结构和LDH的层状特征。

电化学性能
在3电极测试中，复合电极在0.5 A g^-1电流密度下实现296±5 mAh g^-1的比容量，5000次循环后容量保持率70.4%。组装的MOF-20 min@CoNiFe-LDH//AMH器件在1 A g^-1下能量密度达76.6±0.5 Wh kg^-1，功率密度724.9±0.5 W kg^-1，10000次循环后容量保持81.2±0.5%。

结论与意义
该研究通过电沉积法构建的MOF-LDH复合材料，兼具MOF的孔隙优势和LDH的氧化还原活性，其无粘结剂制备工艺确保与集流体的紧密接触。Ncholu Manyala团队的工作为开发高能量密度、长循环寿命的超级电容器提供了可规模化生产的解决方案，对推动可再生能源存储技术发展具有重要价值。论文同时指出，未来可通过优化金属中心配位环境进一步提升材料导电性。