镍基金属有机框架衍生的NiO/PANI纳米复合材料用于高性能超级电容器电极研究

为解决传统超级电容器能量密度低和循环稳定性不足的问题，研究人员通过Ni-MOF衍生法制备了NiO/PANI纳米复合材料。该材料在0.5 A/g电流密度下展现出742 F/g的高比电容、65.96 Wh/kg的能量密度，并保持1000次循环后91.6%的容量保留率。这项研究为开发兼具高能量/功率密度的新型储能器件提供了创新策略。

　　

随着全球能源需求激增和化石燃料资源枯竭，开发高效储能技术成为当务之急。超级电容器因其快速充放电和长循环寿命备受关注，但传统碳基材料的低能量密度限制了其应用。金属有机框架(MOF)材料凭借超高比表面积和可调孔隙结构展现出巨大潜力，其中镍基MOF因其多价态特性和丰富活性位点尤为突出。然而，纯MOF导电性差且结构不稳定，如何通过合理设计提升其电化学性能成为研究难点。

研究人员创新性地采用Ni-BTC MOF作为前驱体，通过可控煅烧制备镍氧化物(NiO)，再与导电聚合物聚苯胺(PANI)复合形成纳米结构。该设计巧妙结合了NiO的高导电性和PANI的赝电容特性，通过二者协同效应解决单一材料的性能瓶颈。实验表明，优化后的NiO/PANI(50:50)纳米复合材料在酸性电解液中表现出卓越的综合性能：比电容达到742 F/g，远超纯NiO(498 F/g)和PANI(536 F/g)；能量密度达65.96 Wh/kg，功率密度为200.72 W/kg；更令人瞩目的是，经过1000次充放电循环后容量保持率高达91.6%，展现出优异的实用化前景。

研究采用X射线衍射(XRD)确认晶体结构，场发射扫描电镜(FE-SEM)和透射电镜(TEM)表征形貌，傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学键合作用。电化学测试通过循环伏安法(CV)、恒电流充放电(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)系统评估性能，并采用Dunn方法量化电容和扩散控制的贡献比例。

材料表征结果显示，NiO/PANI复合材料成功保留了NiO的面心立方结构和PANI的本征氧化状态。FE-SEM显示NiO纳米颗粒均匀分散在PANI基体中，TEM证实两者存在π-π堆叠和静电相互作用。FTIR中Ni-O键振动峰从528.56 cm^-1偏移至504.92 cm^-1，证明形成了强界面耦合。EDS分析显示Ni元素在复合材料中占比10.26 at%，验证了有效复合。

电化学性能方面，CV曲线在-0.1~0.7 V电位窗口呈现典型赝电容特征，NiO/PANI的积分面积显著大于单一组分。GCD测试显示复合材料在0.5 A/g下的放电时间长达1484秒，计算得到742 F/g的比电容。EIS分析揭示复合材料电荷转移电阻(R_ct)仅1.506 Ω，远低于纯NiO(5.409 Ω)，表明PANI显著提升了电荷传输效率。动力学分析表明，在50 mV/s扫速下电容贡献占比69%，证实复合材料兼具双电层和法拉第储能机制。

该研究通过MOF衍生策略构建了多尺度协同的纳米复合材料，NiO提供高导电骨架和氧化还原活性位点(Ni²⁺/Ni³⁺)，PANI不仅贡献质子掺杂/脱掺杂反应，还防止NiO颗粒团聚并增强结构稳定性。这种"导电骨架-活性聚合物"的设计理念为开发新一代超级电容器电极材料提供了重要参考，其优异的能量密度和循环稳定性使其在电动汽车、智能电网等领域具有广阔应用前景。研究成果发表在《Results in Chemistry》期刊，为MOF基能源材料的设计与优化提供了新思路。