水热法制备的新型聚吡咯掺杂NiSe基电极：高效高能量的非对称超级电容器应用

《Materials Science and Engineering: B》：Hydrothermal-induced novel polypyrrole incorporated NiSe 2-based electrode: High-efficient and high energy asymmetric supercapacitor application

NiSe?与PPy异质结构复合材料的制备及其在超级电容器中的应用研究。采用水热法和化学共聚法制备NiSe?@PPy纳米复合材料，通过XRD、XPS等表征证实其异质纳米结构（纳米杆@纳米线），显著提升电化学活性。在0.5 A g?1下展现出450 C g?1的高比电容和97.8%的循环稳定性，组装成对称电池能量密度达89 Wh kg?1，异质结构通过增加活性位点、缩短离子扩散路径和提供高比表面积实现性能优化。

　　本文探讨了一种新型纳米复合材料NiSe?@PPy的制备及其在超级电容器中的应用潜力。研究通过结合水热法与化学聚合技术，成功构建了具有异质结构的NiSe?@PPy复合电极材料。这种材料的结构特点在于形成了纳米棒包裹纳米线的形态，这种设计在提升电化学性能方面展现出独特的优势。为了进一步评估其性能，研究团队采用了一系列先进的表征手段，包括X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、比表面积分析（BET）以及场发射扫描电子显微镜（FESEM），以全面解析其物性特征和微观结构。

在电化学性能测试中，NiSe?@PPy材料表现出了显著的优越性。其在0.5 A g?1的电流密度下，显示出高达97.8%的容量保持率，即使在经过10,000次循环后，其性能依然稳定。这表明该材料不仅具有较高的电容，而且具备良好的循环稳定性，这在能量存储设备中是一个至关重要的特性。此外，研究团队还构建了一种不对称超级电容器（ASC），其中使用了NiSe?@PPy作为正极材料，而活性炭（AC）作为负极材料。该ASC器件在0.5 A g?1的电流密度下，实现了高达450 C g?1的比电容和89 Wh kg?1的高能量密度，这标志着其在高能量密度超级电容器领域具有巨大的应用前景。

为了更深入地理解NiSe?@PPy材料的电化学行为，研究团队特别关注了其在超级电容器中的电容和扩散机制。这些机制与传统的电容存储方式有所不同，它们通过特定的材料结构和化学特性，实现了更高的能量存储效率。特别是，研究中提到的Trassati方法被用来分析和讨论这两种机制，这种方法能够有效地揭示材料在充放电过程中的电荷转移行为和离子扩散特性。通过这种方法，研究团队不仅验证了NiSe?@PPy材料的性能优势，还为未来的材料设计提供了理论依据。

在材料合成过程中，研究团队采用了简便且高效的水热法与原位化学聚合技术。这种方法不仅能够精确控制材料的形貌和结构，还能有效提高其电化学活性。所使用的化学物质均为分析纯，无需进一步处理。例如，用于合成NiSe?的原料包括六水合硝酸镍（Ni(NO?)?·6H?O）、水合肼（H?N?O）和粉末状硒（Se），而用于制备PPy的原料则包括N-甲基吡咯烷酮（NMP）、聚偏氟乙烯（PVDF）、乙炔黑、过硫酸铵（(NH?)?S?O?）以及对甲苯磺酸钠（p-TSS, C?H?SO?Na）和吡咯单体。这些材料的选择和组合使得最终的NiSe?@PPy复合材料在物理和化学特性上达到了最佳平衡。

通过XRD分析，研究团队确认了NiSe?@PPy材料的晶体结构和相组成。XRD图谱显示，合成材料在2θ角度范围10-90°内呈现出清晰且准确的衍射峰，表明其具有良好的结晶性和结构均匀性。NiSe?的XRD图谱与ICDD卡片00–011-0552和空间群Pa-3（SG #205）相匹配，这进一步验证了其结构的正确性。此外，研究团队还详细分析了不同晶面（hkl）的衍射角度，这些角度对应于NiSe?的不同晶面结构，为理解其电化学行为提供了重要的结构信息。

在电化学性能测试中，NiSe?@PPy材料展现出了出色的比电容和能量密度。这些特性主要归因于其独特的异质结构和多孔特性。首先，异质结构使得材料在充放电过程中能够提供更多的反应界面，从而提高其电化学活性。其次，多孔结构增加了材料的比表面积，为离子的快速传输和存储提供了更大的空间。此外，纳米棒和纳米线的结构特点有助于缩短电子和离子的扩散路径，从而提升其电荷转移效率。这些优势共同作用，使得NiSe?@PPy材料在超级电容器中表现出优异的性能。

研究团队还特别关注了材料在实际应用中的潜力。他们指出，当前超级电容器的一个主要限制是其能量密度较低，而NiSe?@PPy材料的高能量密度和高功率密度正好弥补了这一缺陷。同时，该材料的高比电容和良好的循环稳定性使其在需要高能量密度和长寿命的场合下具有广泛的应用前景。例如，在电动汽车、可再生能源存储系统以及便携式电子设备等领域，NiSe?@PPy材料可能成为理想的电极材料。

在实际应用中，超级电容器的性能不仅取决于其材料本身，还与器件的设计密切相关。研究团队通过构建不对称超级电容器，成功提高了其整体的能量密度和功率密度。这种设计的优势在于能够充分利用正负极材料的不同特性，从而实现更高的工作电压和更大的电容。此外，研究团队还提到，构建混合超级电容器（HSC）可以通过调整材料的组合和结构，进一步提升其性能。因此，NiSe?@PPy材料的开发不仅为超级电容器的性能提升提供了新的思路，也为其他类型的电化学储能设备的设计和优化提供了借鉴。

为了确保材料在实际应用中的性能，研究团队还考虑了其与电解质的相互作用。他们指出，材料的多孔结构能够提供更大的表面积，从而增强其与电解质的接触面积，提高电荷转移效率。此外，异质结构的设计也有助于改善材料的导电性，使其在高电流密度下依然保持稳定的电化学性能。这些特性使得NiSe?@PPy材料在高功率密度的应用场景下表现出色，如需要快速充放电的设备。

总的来说，这项研究为开发高性能的超级电容器材料提供了重要的理论和技术支持。NiSe?@PPy材料的优异性能不仅源于其独特的结构设计，还与其材料的化学特性密切相关。通过结合水热法和化学聚合技术，研究团队成功制备了具有高比电容、高能量密度和良好循环稳定性的复合电极材料。这些成果不仅推动了超级电容器技术的发展，也为其他类型的电化学储能设备提供了新的研究方向。未来的研究可以进一步探索该材料在不同电解质体系中的表现，以及其在实际应用中的稳定性与耐久性。此外，还可以尝试通过调整材料的组成和结构，进一步优化其性能，以满足不同应用场景的需求。