LPBF Hastelloy X材料的低温变形机制：扫描策略和后热处理的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Cryogenic deformation mechanisms in LPBF Hastelloy X: Effects of scanning strategy and post-heat treatment

NiSe?@PPy纳米复合材料通过水热法和化学共聚法制备，具有异质结构（纳米杆@纳米线），经XRD、XPS等表征显示良好结晶性和化学活性。在0.5 A g?1下表现出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。采用Trassati方法揭示了复合材料的电容和扩散机制优势，验证了其作为超级电容器电极的高效性。

　　本文探讨了一种新型纳米复合材料NiSe?@PPy在超级电容器中的应用潜力。该材料通过水热法和化学聚合技术制备，其结构由纳米棒和纳米线组成，展现出异质结构的特性，有助于提升电化学性能。研究者通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、比表面积分析（BET）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）以及电化学测试等手段对材料进行了详细表征和性能评估。结果显示，NiSe?@PPy材料在0.5 A g?1的电流密度下表现出高达97.8%的容量保持率，并且在10,000次循环后仍能维持良好的性能。这一结果表明，该复合材料在超级电容器领域具有显著的优越性。

超级电容器因其可持续性、长循环寿命和高功率密度而被视为传统能量存储设备的理想替代品。然而，其能量密度仍然较低，限制了其在实际应用中的推广。因此，研究者致力于开发具有更高能量密度和更好循环稳定性的新型电极材料。NiSe?作为一种过渡金属硒化物，因其较小的带隙和较高的导电性，被认为在超级电容器中具有良好的应用前景。与传统的金属氧化物和硫化物相比，NiSe?展现出更高的电化学活性和更大的比电容，这使其成为超级电容器研究中的一个重要方向。

在众多研究中，NiSe?基材料已被广泛应用于混合超级电容器（HSCs）和不对称超级电容器（ASCs）。例如，Yongpan Gu等人开发的蘑菇状NiSe?//AC超级电容器在500次循环后仍能保持90.3%的循环性能，并且其能量密度达到了33 Wh kg?1。Shaolan Wang等人制备的立方NiSe?材料在3 A g?1的电流密度下展现出高达1044 F g?1的比电容，并且在20,000次循环后仍能保持87.4%的容量保持率，能量密度达到了44.8 Wh kg?1。Muhammad Sana Ullah等人研究的NiSe?-CoSe//AC//KOH不对称超级电容器在20,000次循环后表现出89.6%的循环性能和54.9 Wh kg?1的能量密度。Zhongchun Li等人则制备了具有高比容量（6533 C g?1）的NiSe?纳米线电极，并将其用于混合超级电容器中，获得了35 Wh kg?1的能量密度和850 W kg?1的功率密度。

尽管这些研究在提升NiSe?基超级电容器的性能方面取得了显著进展，但大多数材料仍然存在循环稳定性差和表面活性不足的问题。为了克服这些问题，研究者尝试通过构建具有多孔结构的NiSe?纳米线来增加材料的比表面积和反应活性位点，从而提高其电化学性能。多孔结构不仅能够提供更大的缓冲空间，还能增强电极与电解质之间的接触面积，进一步优化电荷传输效率。此外，多孔结构还能有效减少电子和离子的扩散路径，从而加快电荷的转移速度，提高材料的功率密度。

在本研究中，NiSe?@PPy复合材料的制备采用了水热法和原位化学聚合技术。水热法是一种在高温高压条件下进行的合成方法，能够有效地控制材料的形貌和结构。而化学聚合则用于在NiSe?表面形成一层导电的聚吡咯（PPy）层。PPy作为一种导电聚合物，具有较高的导电性和良好的化学稳定性，能够显著提升NiSe?的电化学性能。PPy的引入不仅增加了材料的导电性，还为NiSe?提供了额外的活性位点，从而提高了其比电容和能量密度。

研究者还通过XRD分析确认了NiSe?@PPy材料的晶体结构。XRD图谱显示，材料在2θ范围10-90°内呈现出清晰的衍射峰，表明其具有良好的结晶性。此外，XRD结果还揭示了NiSe?的晶格参数和空间群，进一步验证了其结构的准确性。这些信息为后续的电化学性能分析提供了重要的理论依据。

除了XRD分析，研究者还利用XPS对NiSe?@PPy材料的表面化学组成进行了研究。XPS结果表明，材料表面存在丰富的Ni、Se和P元素，这与PPy的引入密切相关。PPy的加入不仅改变了材料的表面性质，还可能影响其电化学行为。例如，PPy的导电性可以有效减少NiSe?在充放电过程中的电阻，从而提高其整体的电化学性能。

比表面积分析（BET）结果显示，NiSe?@PPy材料具有较大的比表面积，这为其提供了更多的反应活性位点。比表面积的增加有助于提高材料的电容性能，因为它可以增加电荷存储的容量。此外，BET分析还揭示了材料的孔径分布和孔隙率，这对于理解其电化学行为具有重要意义。

场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像进一步证实了NiSe?@PPy材料的异质结构形态。FESEM图像显示，材料由纳米棒和纳米线组成，这种结构不仅有助于提高材料的导电性，还能增强其机械稳定性。纳米棒和纳米线的结合为材料提供了更多的电荷传输路径，从而提高了其电化学活性。此外，这种结构还能有效防止材料在循环过程中发生结构坍塌，从而提高其循环寿命。

电化学测试结果表明，NiSe?@PPy材料在超级电容器中表现出优异的性能。在0.5 A g?1的电流密度下，其比电容达到了450 C g?1，能量密度达到了89 Wh kg?1。这些数据表明，该材料在高能量密度和高功率密度方面具有显著优势。此外，材料在10,000次循环后仍能保持97.8%的容量保持率，这表明其具有良好的循环稳定性。这种性能的提升主要归功于异质结构的构建和多孔结构的引入，这些结构不仅增加了材料的比表面积，还优化了其电荷传输路径。

在本研究中，研究者还采用了Trasatti方法对NiSe?和NiSe?@PPy材料的电容和扩散机制进行了分析。Trasatti方法是一种用于分析电极材料电化学行为的实验方法，能够区分材料的电容贡献和扩散贡献。通过这种方法，研究者能够更深入地理解NiSe?@PPy材料的电化学机制，并进一步优化其性能。研究结果显示，NiSe?@PPy材料的电容机制和扩散机制均得到了显著提升，这为其在超级电容器中的应用提供了理论支持。

此外，研究者还组装了一个基于NiSe?@PPy//AC的不对称超级电容器，并对其性能进行了测试。该不对称超级电容器表现出高达37.9 Wh kg?1的能量密度和408.5 W kg?1的功率密度，这表明其在实际应用中具有巨大的潜力。这些性能的提升不仅得益于材料的异质结构和多孔结构，还与其良好的电荷传输能力和高比表面积密切相关。

在材料的制备过程中，研究者还采用了多种化学试剂和溶剂。这些试剂包括锰硝酸盐六水合物（Ni(NO?)?·6H?O）、水合肼（H?N?O）、粉末状硒、N-甲基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯（PVDF）、乙炔黑、过硫酸铵（(NH?)?S?O?）、对甲苯磺酸钠（p-TSS，C?H?SO?Na）和吡咯单体。这些化学试剂的选择和使用对材料的性能和结构具有重要影响。例如，水合肼的使用有助于在水热反应中形成均匀的NiSe?纳米结构，而N-甲基吡咯烷酮则能够提供良好的溶剂环境，促进PPy的聚合过程。

研究者还对材料的合成条件进行了优化，以确保其结构和性能的稳定性。通过调整水热反应的温度、时间和反应物的浓度，研究者能够获得具有最佳性能的NiSe?@PPy材料。此外，化学聚合过程中的参数，如聚合时间、电流密度和电解质的选择，也对材料的性能产生了重要影响。这些优化措施不仅提高了材料的电化学性能，还增强了其在实际应用中的可行性。

在实验过程中，研究者还采用了多种测试手段来评估材料的性能。除了XRD、XPS、BET和FESEM分析外，他们还进行了电化学测试，包括循环伏安法（CV）、恒电流充放电测试（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）分析。CV测试结果表明，NiSe?@PPy材料在不同扫速下均表现出良好的电化学活性，这与其异质结构和多孔结构密切相关。GCD测试进一步验证了材料的高比电容和良好的循环稳定性，而EIS分析则揭示了材料的电荷传输特性和界面阻抗。这些测试结果共同证明了NiSe?@PPy材料在超级电容器中的优异性能。

为了确保实验的准确性和可靠性，研究者还对实验数据进行了详细的分析和讨论。他们比较了NiSe?和NiSe?@PPy材料在不同测试条件下的性能差异，并探讨了这些差异的可能原因。例如，PPy的引入可能增加了材料的导电性，从而减少了电荷传输的阻力。此外，多孔结构的形成可能提高了材料的比表面积，从而增加了其与电解质的接触面积，进一步优化了其电化学性能。

研究者还对NiSe?@PPy材料的合成方法进行了详细描述，以确保其他研究者能够复现实验并进一步优化材料的性能。水热法是一种常用的纳米材料合成方法，能够提供均匀的生长环境，从而形成规则的纳米结构。而化学聚合则能够通过控制反应条件，实现PPy在NiSe?表面的均匀覆盖。这些合成方法的结合不仅提高了材料的性能，还为其在实际应用中的推广提供了可能性。

此外，研究者还讨论了NiSe?@PPy材料在超级电容器中的应用前景。由于其优异的电化学性能和良好的循环稳定性，该材料有望被广泛应用于可再生能源存储、智能电子设备和电动汽车等领域。这些应用领域对高能量密度和高功率密度的电容器材料提出了更高的要求，而NiSe?@PPy材料正好满足了这些需求。因此，该材料的开发具有重要的实际意义和应用价值。

总的来说，本文的研究为开发高性能的超级电容器电极材料提供了新的思路和方法。通过构建异质结构和多孔结构，研究者成功地提升了NiSe?材料的电化学性能，使其在超级电容器中表现出优异的比电容、能量密度和循环稳定性。这些成果不仅推动了超级电容器技术的发展，还为未来的能量存储研究提供了重要的参考。