随着全球经济的快速发展和人口的增长，对可再生能源的需求持续增加，风能、太阳能、潮汐能和地热能等可再生能源成为主要的发展方向。为了更加高效的利用可再生能源，开发高效稳定的储能装置非常重要。超级电容器（SC）作为储能装置的一种，可以在风能和太阳能等发电系统中平衡电力输出，处理短期的功率波动，提高系统的稳定性。并且与传统的储能器件相比，SC具有高功率密度，使用寿命长等优点。因此，SC在各个领域的应用越来越广泛，如混合动力或电动汽车、电子产品、飞机和智能电网等。然而，在维持高功率密度的同时提高SC的能量密度和重量电容仍然是一个主要挑战。

  近日，新疆大学化学学院吐尔逊·阿不都热依木教授团队在以Ti₃C₂T_x为电极材料在超级电容器领域取得新的进展。研究展示了以3D Ti₃C₂T_x（THM）结构为基底材料，经过聚多巴胺的包覆后的新型球壳结构的电极材料。

材料制备与形貌

  使用聚苯乙烯(PS)为模板通过静电吸附作用力使2D Ti₃C₂T_x吸附在PS表面，经过高温烧退火去除PS得到THM。THM在抑制了2D Ti₃C₂T_x堆叠和增加了比表面积的同时，又增加了更多的氧化还原反应活性位点。聚多巴胺(PDA)在THM表面作为氮掺杂的碳纳米层将其包覆，随后在经过碳化后的到均匀分散的核壳材料THM@CN。

图1. a) NiS/THM@CN 合成过程的示意图。b) PS@THM 的 SEM 图像。c) THM@CN-3 的 SEM 图像。d) NiS/THM@CN-3 的 SEM图像。e) PS@THM 的 TEM 图像。f) THM@CN-3 的 TEM 图像。g) NiS/THM@CN-3 的 HRTEM 图像。h) NiS/THM@CN-3 的 TEM 图像及其相应的EDS图像。

材料设计与表征

  通过X射线衍射（XRD）得出傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）验证了材料结构的成功构建（图2）。NiS/THM@CN的合成，XRD可以看出Ti₃C₂T_x的（002）峰出现了偏移，和NiS具有的特征峰（101）、（02）和（110）。因此，如图2j所示，Ti₃C₂T_x 和 PS 通过静电吸附紧密结合，使它们成为独立的球形结构。Ti₃C₂T_x的表面有很多基团，如─OH、─F、─O─等，可以与PDA表面的─OH 和─NH─形成氢键相互作用，因此PDA可以作为 THM外部涂层的非常好的支撑材料。

图2. a）THM、THM@CN-3、NiS/THM@CN-3 的 XRD 图谱。b）THM、THM@CN-3 和 NiS/THM@CN-3 的 FTIR 光谱。c） THM、THM@CN-3、NiS/THM@CN-3 的拉曼光谱 d） NiS/THM@CN-3 的 XPS 全光谱。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 构象关系图区域的 NiS/-3 测试光谱。

电化学性能的研究

  通过三电极测试，可以看到NiS/THM@CN-3电极材料有着优异的电化学性能。其CV曲线具有明显的氧化还原峰，并且通过GCD可以算出其具有优异的电化学性能（2750 F g^-1）。这主要是由于THM中空结构增加了2D Ti₃C₂T_×纳米片的固有优势，增加了比表面积（SSA），提供了更多的反应位点和离子存储空间，同时具有更好的机械强度和稳定性。

图3. a, b) THM 和 THM 的 CV 和 GCD 曲线。c) NiS/THM@CN-3 的 CV 曲线。d) NiS/THM@CN-3 电极的 log(i)与 log(v)关系图。e) NiS/THM@CN-3 的 GCD 曲线。f) NiS/THM@CN-3 在 1-15 mV s^?1 下的电容过程贡献。g, h) NiS/THM@CN-(1-4)电极的奈奎斯特图。i) NiS/THM@CN-3 和 4 电极的 Z′与ω^?1/2 关系图。

组装电容器测试

  分别使用NiS/THM@CN-3和商业活性炭（AC）作为正极和负极，以PVA-CMC-PEDOT:PSS作为凝胶电解质组装了二电极进行电化学性能测试。该HSC 器件在1900 W kg^?1的功率密度下提供73.36 Wh kg^?1的高能量密度并且经过经过 15 000 次循环后，HSC 器件的电容保持原值的 88.5%，而库仑效率保持在初始值的 94.7%。

图4. a) NiS/THM@CN-3 和 AC 电极的循环伏安曲线。b) NiS/THM@CN-3 在 5-100 mV s^?1 的循环伏安曲线。c) NiS/THM@CN-3 在 2-8 A g^?1 的恒流充放电曲线。d) NiS/THM@CN-3 的循环性能和库仑效率。e) 与其他相关器件的对比 Ragone 图。f) NiS/THM@CN-3 的电化学过程机理图。

应用前景

  本文所提出的以THM为内支撑结、CN为外壳的结构具有较高的比表面积和分散性，以及优异的电化学稳定性，进一步推动了 Ti₃C₂T_x 在高性能储能器件中的应用。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202505998

【作者介绍】

  吐尔逊·阿不都热依木：二级教授、博士生导师，担任新疆大学化学学院高分子化学与物理学科负责人，研究聚焦于高分子结构调控与高性能化，致力于将高分子材料应用于能源、环境与催化转化等关键领域，具体研究方向包括开发用于高效能源存储与转换器件的高分子复合材料、研发高性能通用高分子材料改性技术、设计用于环境污染物检测吸附与降解的功能高分子材料，以及开发用于绿色高效催化转化过程的新型高分子基催化剂或载体。至今以第一/通讯作者在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.等刊物上发表SCI论文近150余篇，高被引论文2篇，论文被引用2800余次，H指数28。研究成果分别获新疆维吾尔自治区自然科学一等奖、新疆大学第九届科学研究优秀成果一等奖、新疆大学第一届自然科学二等奖，第十四届疆维吾尔自治区优秀论文三等奖等奖励。

  如仙古丽·加玛力：教授，硕士生导师，新疆大学化学化工学院。主要从事高分子材料的高性能化与复合改性。至今以第一/通讯作者在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.等刊物上发表SCI论文115余篇，论文被引用1900余次，H指数24。

  宋凯：新疆大学化学学院2025级在读博士。研究方向为MXene基超级电容器的研究与应用。至今以第一作者在Chemical Engineering Journal. Advanced Functional Materials.刊物上发表SCI论文2篇。曾荣获2023-2024年度国家奖学金。