锰氧化物/聚(s-三嗪)复合材料的电沉积制备及其在水系电化学储能中的应用

本研究通过一步电沉积法构建锰氧化物(MnOx)/聚(s-三嗪)(PT)复合材料，解决了传统过渡金属氧化物导电性差的问题。该复合材料在1 M Na2SO4和2 M (NH4)2SO4电解液中分别实现140.44和213.48 mAh g-1的比容量，组装的储能器件能量密度达163 Wh kg-1，为水系储能材料设计提供新思路。

　　

随着可再生能源的快速发展，高效安全的电化学储能技术成为研究热点。其中，电极材料是决定储能器件性能的关键因素。过渡金属氧化物如锰氧化物(MnO_x)因其多价态、丰富晶体结构和低成本等优势备受关注，但本征导电性差严重制约其性能发挥。与此同时，导电聚合物虽具有优异电子传导能力，但比容量有限。如何通过材料设计协同提升二者的优势，成为当前储能材料领域的重大挑战。

在这项发表于《iScience》的研究中，华北电力大学裴绍同等研究人员创新性地采用同步电沉积技术，在酸性电解液中一步构建锰氧化物/聚(s-三嗪)(MnO_x/PT)复合材料。通过调控电沉积参数，成功在碳布基底上获得具有多孔结构的复合薄膜。研究综合运用X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学阻抗谱(EIS)等技术，系统表征材料的结构与性能关系，并深入探究其电荷存储机制。

结构表征

SEM显示MnO_x/PT-2呈现200 nm的颗粒状结构，明显区别于单独组分的形貌。XPS证实材料中同时存在Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化还原对和质子化氮基团，X射线衍射(XRD)检测到晶态Mn_1.92O₄相，这种岩盐型结构有利于离子存储。

电化学性能

在1 M Na₂SO₄电解液中，最优样品MnO_x/PT-2的比容量达140.44 mAh g^-1(1 A g^-1)，显著高于单一组分。改用2 M (NH₄)₂SO₄电解液后，比容量进一步提升至213.48 mAh g^-1，这归因于NH₄⁺较小的离子半径和氢键作用。电化学阻抗分析显示复合材料具有更低的电荷转移电阻(14.56 Ω s^-1/2 rad^1/2)和沃伯格阻抗，表明其优异的电荷传输动力学。

2SO₄中的电化学曲线'>

电荷存储机制

通过原位XPS分析发现，充电过程中Mn³⁺氧化为Mn⁴⁺，同时亚胺基(-NH⁺⁼)含量从24.23%增至32.38%。在2 M (NH₄)₂SO₄中，NH₄⁺的插入/脱出与Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化还原协同作用，形成独特的"三机制"储能路径：①金属氧化还原、②氨基/亚胺基转化、③羟基/羰基氧化还原。

器件性能

组装的对称器件在540 W kg^-1功率密度下实现163 Wh kg^-1的能量密度，3000次循环后容量保持率达82.16%，展现出良好的应用前景。

这项研究的重要意义在于：首次实现MnO_x与PT的一步共沉积，通过分子水平设计优化电子/离子传输路径；提出的"三机制"储能模型为新型复合电极设计提供理论指导；发展的温和电沉积工艺具有可放大性，为规模化制备高性能储能材料开辟新途径。未来通过掺杂、共聚等策略进一步调控材料结构，有望推动水系储能器件的实际应用。