便携式电子设备、电动汽车和可再生能源系统的快速发展加剧了对先进能源存储设备的需求,这些设备需要同时提供高功率密度、合理的能量密度和长期循环稳定性 [1,2]。超级电容器因其快速的充放电能力、高功率输出和出色的耐用性而引起了广泛关注 [[3], [4], [5], [6]]。然而,主要依赖电极 - 电解质界面静电电荷积累的常规双电层电容器 (EDLCs),其固有能量密度较低 [[7], [8], [9]]。相比之下,赝电容材料通过快速且可逆的表面或近表面氧化还原反应存储电荷,提供了更高的能量密度,但在反复循环中往往面临动力学缓慢和结构降解的问题 [[10], [11], [12]]。因此,合理设计平衡氧化还原活性、电导率和结构稳定性的电极材料仍然是下一代超级电容器面临的关键挑战 [[13], [14], [15], [16]]。
普鲁士蓝类似物 (PBAs) 是一类具有开放框架结构的金属 - 氰化物配位化合物 [17],由于其可调节的成分、多种可及的氧化还原状态和结构多样性,已成为有前景的赝电容材料 [18,19]。特别是,双金属 PBAs 能够通过两种过渡金属共存衍生出协同氧化还原活性,从而通过多电子转移过程增强电荷存储 [20,21]。在这些材料中,Mn–Fe 基 PBAs 尤其具有吸引力,因为 Mn 和 Fe 在水基超级电容器相关的电化学窗口内都表现出丰富且可逆的氧化态 [22]。然而,PBAs 的实际应用受到其固有低电导率和有限倍率性能的显著阻碍,这限制了氧化还原活性位点的有效利用,并损害了在高电流密度下的循环稳定性 [[23], [24], [25], [26]]。
与导电碳材料的复合已被广泛采用作为解决这些限制的有效策略。还原氧化石墨烯 (rGO) [27,28] 具有高电导率、大比表面积和机械柔性,特别适合构建互连的导电网络并在反复氧化还原反应过程中缓冲结构应力。当与 PBA 纳米结构集成时,rGO 促进快速电子传输,抑制颗粒聚集,并改善电解质可及性 [29]。此外,将这种混合材料锚定在三维集流体(如镍泡沫)上,通过提供连续的电子路径、大的电极 - 电解质接触面积和高效的离子扩散通道,进一步增强了电化学性能 [[30], [31], [32], [33]]。尽管有这些优势,但对 rGO 含量如何影响 MnFe PBAs 的电荷存储行为和氧化还原利用率(特别是在器件水平上)的系统性理解仍然不足 [34,35]。
在本研究中,在三维镍泡沫上构建了具有可调节 rGO 含量的 MnFe 普鲁士蓝类似物/rGO 混合电极,以实现协同电荷存储行为。通过调整 rGO 负载量,优化了氧化还原活性 MnFe PBA 域与导电石墨烯网络之间的界面耦合,从而改善了电荷转移动力学和结构稳定性。使用循环伏安法、恒流充放电测量以及电容性和扩散控制贡献的定量分析,系统地评估了混合电极的电化学性能。此外,组装了不对称超级电容器器件,以展示优化电极配置的实用能源存储能力。通过 X 射线衍射和 X 射线光电子能谱研究了长期循环前后结构和化学状态的演变,提供了对优化电极稳定性和电荷存储行为的见解。这些结果突出了 MnFeCN/rGO 混合材料在实际能源存储应用中的潜力。