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  隨著全球經濟的快速發展和人口的增長，對可再生能源的需求持續增加，風能、太陽能、潮汐能和地熱能等可再生能源成為主要的發展方向。為了更加高效的利用可再生能源，開發高效穩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，可以在風能和太陽能等發電系統中平衡電力輸出，處理短期的功率波動，提高系統的穩定性。并且與傳統的儲能器件相比，SC具有高功率密度，使用壽命長等優點。因此，SC在各個領域的應用越來越廣泛，如混合動力或電動汽車、電子產品、飛機和智能電網等。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。

  近日，新疆大學化學學院吐爾遜·阿不都熱依木教授團隊在以Ti₃C₂T_x為電極材料在超級電容器領域取得新的進展。研究展示了以3D Ti₃C₂T_x（THM）結構為基底材料，經過聚多巴胺的包覆后的新型球殼結構的電極材料。

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，經過高溫燒退火去除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活性位點。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 圖像及其相應的EDS圖像。

材料設計與表征

  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）驗證了材料結構的成功構建（圖2）。NiS/THM@CN的合成，XRD可以看出Ti₃C₂T_x的（002）峰出現了偏移，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合，使它們成為獨立的球形結構。Ti₃C₂T_x的表面有很多基團，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 構象關系圖區域的 NiS/-3 測試光譜。

電化學性能的研究

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

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。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 關系圖。

組裝電容器測試

  分別使用NiS/THM@CN-3和商業活性炭（AC）作為正極和負極，以PVA-CMC-PEDOT:PSS作為凝膠電解質組裝了二電極進行電化學性能測試。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過經過 15 000 次循環后，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 電極的循環伏安曲線。b) NiS/THM@CN-3 在 5-100 mV s^?1 的循環伏安曲線。c) NiS/THM@CN-3 在 2-8 A g^?1 的恒流充放電曲線。d) NiS/THM@CN-3 的循環性能和庫侖效率。e) 與其他相關器件的對比 Ragone 圖。f) NiS/THM@CN-3 的電化學過程機理圖。

應用前景

  本文所提出的以THM為內支撐結、CN為外殼的結構具有較高的比表面積和分散性，以及優異的電化學穩定性，進一步推動了 Ti₃C₂T_x 在高性能儲能器件中的應用。

  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、博士生導師，擔任新疆大學化學學院高分子化學與物理學科負責人，研究聚焦于高分子結構調控與高性能化，致力于將高分子材料應用于能源、環境與催化轉化等關鍵領域，具體研究方向包括開發用于高效能源存儲與轉換器件的高分子復合材料、研發高性能通用高分子材料改性技術、設計用于環境污染物檢測吸附與降解的功能高分子材料，以及開發用于綠色高效催化轉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28。研究成果分別獲新疆維吾爾自治區自然科學一等獎、新疆大學第九屆科學研究優秀成果一等獎、新疆大學第一屆自然科學二等獎，第十四屆疆維吾爾自治區優秀論文三等獎等獎勵。

  如仙古麗·加瑪力：教授，碩士生導師，新疆大學化學化工學院。主要從事高分子材料的高性能化與復合改性。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.等刊物上發表SCI論文115余篇，論文被引用1900余次，H指數24。

  宋凱：新疆大學化學學院2025級在讀博士。研究方向為MXene基超級電容器的研究與應用。至今以第一作者在Chemical Engineering Journal. Advanced Functional Materials.刊物上發表SCI論文2篇。曾榮獲2023-2024年度國家獎學金。