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  隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的增長，對可再生能源的需求持續(xù)增加，風(fēng)能、太陽能、潮汐能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉闯蔀橹饕陌l(fā)展方向。為了更加高效的利用可再生能源，開發(fā)高效穩(wěn)定的儲能裝置非常重要。超級電容器（SC）作為儲能裝置的一種，可以在風(fēng)能和太陽能等發(fā)電系統(tǒng)中平衡電力輸出，處理短期的功率波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且與傳統(tǒng)的儲能器件相比，SC具有高功率密度，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。因此，SC在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如混合動力或電動汽車、電子產(chǎn)品、飛機(jī)和智能電網(wǎng)等。然而，在維持高功率密度的同時提高SC的能量密度和重量電容仍然是一個主要挑戰(zhàn)。

  近日，新疆大學(xué)化學(xué)學(xué)院吐爾遜·阿不都熱依木教授團(tuán)隊在以Ti₃C₂T_x為電極材料在超級電容器領(lǐng)域取得新的進(jìn)展。研究展示了以3D Ti₃C₂T_x（THM）結(jié)構(gòu)為基底材料，經(jīng)過聚多巴胺的包覆后的新型球殼結(jié)構(gòu)的電極材料。

材料制備與形貌

  使用聚苯乙烯(PS)為模板通過靜電吸附作用力使2D Ti₃C₂T_x吸附在PS表面，經(jīng)過高溫?zé)嘶鹑コ?/span>PS得到THM。THM在抑制了2D Ti₃C₂T_x堆疊和增加了比表面積的同時，又增加了更多的氧化還原反應(yīng)活性位點(diǎn)。聚多巴胺(PDA)在THM表面作為氮摻雜的碳納米層將其包覆，隨后在經(jīng)過碳化后的到均勻分散的核殼材料THM@CN。

圖1. a) NiS/THM@CN 合成過程的示意圖。b) PS@THM 的 SEM 圖像。c) THM@CN-3 的 SEM 圖像。d) NiS/THM@CN-3 的 SEM圖像。e) PS@THM 的 TEM 圖像。f) THM@CN-3 的 TEM 圖像。g) NiS/THM@CN-3 的 HRTEM 圖像。h) NiS/THM@CN-3 的 TEM 圖像及其相應(yīng)的EDS圖像。

材料設(shè)計與表征

  通過X射線衍射（XRD）得出傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和X射線光電子能譜（XPS）驗證了材料結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建（圖2）。NiS/THM@CN的合成，XRD可以看出Ti₃C₂T_x的（002）峰出現(xiàn)了偏移，和NiS具有的特征峰（101）、（02）和（110）。因此，如圖2j所示，Ti₃C₂T_x 和 PS 通過靜電吸附緊密結(jié)合，使它們成為獨(dú)立的球形結(jié)構(gòu)。Ti₃C₂T_x的表面有很多基團(tuán)，如─OH、─F、─O─等，可以與PDA表面的─OH 和─NH─形成氫鍵相互作用，因此PDA可以作為 THM外部涂層的非常好的支撐材料。

圖2. a）THM、THM@CN-3、NiS/THM@CN-3 的 XRD 圖譜。b）THM、THM@CN-3 和 NiS/THM@CN-3 的 FTIR 光譜。c） THM、THM@CN-3、NiS/THM@CN-3 的拉曼光譜 d） NiS/THM@CN-3 的 XPS 全光譜。e-h） NiS/THM@CN-3 在e）C 1s、f）N 1s、g）Ti 2p、h）Ni 2p、i）S 2p、j）NiS/THM@CN-3 構(gòu)象關(guān)系圖區(qū)域的 NiS/-3 測試光譜。

電化學(xué)性能的研究

  通過三電極測試，可以看到NiS/THM@CN-3電極材料有著優(yōu)異的電化學(xué)性能。其CV曲線具有明顯的氧化還原峰，并且通過GCD可以算出其具有優(yōu)異的電化學(xué)性能（2750 F g^-1）。這主要是由于THM中空結(jié)構(gòu)增加了2D Ti₃C₂T_×納米片的固有優(yōu)勢，增加了比表面積（SSA），提供了更多的反應(yīng)位點(diǎn)和離子存儲空間，同時具有更好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖3. a, b) THM 和 THM 的 CV 和 GCD 曲線。c) NiS/THM@CN-3 的 CV 曲線。d) NiS/THM@CN-3 電極的 log(i)與 log(v)關(guān)系圖。e) NiS/THM@CN-3 的 GCD 曲線。f) NiS/THM@CN-3 在 1-15 mV s^?1 下的電容過程貢獻(xiàn)。g, h) NiS/THM@CN-(1-4)電極的奈奎斯特圖。i) NiS/THM@CN-3 和 4 電極的 Z′與ω^?1/2 關(guān)系圖。

組裝電容器測試

  分別使用NiS/THM@CN-3和商業(yè)活性炭（AC）作為正極和負(fù)極，以PVA-CMC-PEDOT:PSS作為凝膠電解質(zhì)組裝了二電極進(jìn)行電化學(xué)性能測試。該HSC 器件在1900 W kg^?1的功率密度下提供73.36 Wh kg^?1的高能量密度并且經(jīng)過經(jīng)過 15 000 次循環(huán)后，HSC 器件的電容保持原值的 88.5%，而庫侖效率保持在初始值的 94.7%。

圖4. a) NiS/THM@CN-3 和 AC 電極的循環(huán)伏安曲線。b) NiS/THM@CN-3 在 5-100 mV s^?1 的循環(huán)伏安曲線。c) NiS/THM@CN-3 在 2-8 A g^?1 的恒流充放電曲線。d) NiS/THM@CN-3 的循環(huán)性能和庫侖效率。e) 與其他相關(guān)器件的對比 Ragone 圖。f) NiS/THM@CN-3 的電化學(xué)過程機(jī)理圖。

應(yīng)用前景

  本文所提出的以THM為內(nèi)支撐結(jié)、CN為外殼的結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積和分散性，以及優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，進(jìn)一步推動了 Ti₃C₂T_x 在高性能儲能器件中的應(yīng)用。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202505998

【作者介紹】

  吐爾遜·阿不都熱依木：二級教授、博士生導(dǎo)師，擔(dān)任新疆大學(xué)化學(xué)學(xué)院高分子化學(xué)與物理學(xué)科負(fù)責(zé)人，研究聚焦于高分子結(jié)構(gòu)調(diào)控與高性能化，致力于將高分子材料應(yīng)用于能源、環(huán)境與催化轉(zhuǎn)化等關(guān)鍵領(lǐng)域，具體研究方向包括開發(fā)用于高效能源存儲與轉(zhuǎn)換器件的高分子復(fù)合材料、研發(fā)高性能通用高分子材料改性技術(shù)、設(shè)計用于環(huán)境污染物檢測吸附與降解的功能高分子材料，以及開發(fā)用于綠色高效催化轉(zhuǎn)化過程的新型高分子基催化劑或載體。至今以第一/通訊作者在Adv. Funct. Mater., Biosens. Bioelectron., Chem. Eng. J., J. Hazard. Mater, Carbon, Small, Compos. part B: Eng., Talanta, J. Power Sources, J. Colloid Interface Sci.等刊物上發(fā)表SCI論文近150余篇，高被引論文2篇，論文被引用2800余次，H指數(shù)28。研究成果分別獲新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)一等獎、新疆大學(xué)第九屆科學(xué)研究優(yōu)秀成果一等獎、新疆大學(xué)第一屆自然科學(xué)二等獎，第十四屆疆維吾爾自治區(qū)優(yōu)秀論文三等獎等獎勵。

  如仙古麗·加瑪力：教授，碩士生導(dǎo)師，新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院。主要從事高分子材料的高性能化與復(fù)合改性。至今以第一/通訊作者在Adv. Funct. Mater., Biosens. Bioelectron., Chem. Eng. J., Carbon, Small, Compos. Sci. Technol, J. Energy Storage, Constr. Build. Mater., Int. J. Biol. Macromol., Appl. Surf. Sci.等刊物上發(fā)表SCI論文115余篇，論文被引用1900余次，H指數(shù)24。

  宋凱：新疆大學(xué)化學(xué)學(xué)院2025級在讀博士。研究方向為MXene基超級電容器的研究與應(yīng)用。至今以第一作者在Chemical Engineering Journal. Advanced Functional Materials.刊物上發(fā)表SCI論文2篇。曾榮獲2023-2024年度國家獎學(xué)金。