二维层状结构MXenes因其优异的电学性能、可调控的表面官能团而被广泛应用于钾离子超级电容器领域, 但其有限的双电容存储容量严重限制了MXenes在电极材料方面的应用。本工作采用“路易斯酸熔盐预刻蚀+液相刻蚀+原位水热复合”策略, 制备了以Ti₃C₂为基体、表面包覆MnO₂的Ti₃C₂基异质结, 以提高电极材料对钾离子的储存。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了Ti₃C₂基异质结界面之间的连接方式、电学性质以及钾离子吸附规律的变化。结果表明构建的Ti₃C₂基异质结对钾离子的最大吸附量是Ti₃C₂的3倍左右, 且Ti-O-H-O连接通道使MnO₂内部的自由电子数量增多, 使Ti₃C₂基异质结表现出优异的电学性能。三电极体系下的电化学测试结果表明Ti₃C₂基异质结在1 A·g^-1的电流密度下能够提供431 F·g^-1的比电容, 远远高于Ti₃C₂(128 F·g^-1)。并通过动力学分析阐述了Ti₃C₂基异质结的赝电容储能机理, 在100 mV·s^-1的扫描速率下, 其赝电容贡献比例高达89%, 此外Ti₃C₂基异质结表现出较小的电化学阻抗, 从而提高了钾离子传输速率、电子转移速率。本研究通过构筑Ti₃C₂基异质结, 提高了基体Ti₃C₂的电化学性能, 并阐述了相应的储能机理, 这为设计其他MXenes基电极材料提供了理论基础。

超级电容器以其高功率性能、稳定的循环性能和优良的安全性等独特优势, 作为储能器件在新能源汽车和移动电子设备等方面极具前景。然而, 其能量密度相对较低, 限制了实际应用。为提升电化学活性, 本研究通过简便的溶剂热法、煅烧处理和电化学沉积技术, 在碳包覆的ZnCo₂O₄-ZnO微球上沉积了CoS纳米片(ZCO-ZO@C@CoS)。碳层不仅可以促进电子传输, 增强导电性, 还提升了结构的稳定性; CoS纳米片之间形成的开放网络空间促进了离子快速传输。此外, CoS纳米片具备丰富的电活性位点, 实现了快速可逆的氧化还原反应; 核壳结构内部的纳米线、碳层和外层纳米片的共同作用, 有效提升了材料的整体电化学性能。因此, ZCO-ZO@C@CoS在1.5 A·g⁻¹时的比电容达到1944 F·g⁻¹(972.0 C·g⁻¹), 20 A·g⁻¹高电流密度下循环10000次后比容量保持率为75%。由ZCO-ZO@C@CoS(正极)和活性炭(负极)组成的非对称超级电容器器件也表现出优异的比电容、高的倍率性能和优异的循环稳定性, 显示出良好的应用前景。

温室气体的过量排放对全球气候产生严重不良影响, 如何减少碳排放已成为全球性议题。超级电容器具有使用寿命长、功率密度高、碳排放量相对较低的优点。大力发展超级电容器储能是建立未来能源系统的可靠和有效措施。MXene材料具有优良的亲水性、电导率、高电化学稳定性和表面化学可调性, 近年来在超级电容器储能应用研究领域广受关注, 但MXene严重的自堆叠问题限制了其储能性能充分发挥, 开发更先进的MXene材料对于下一代高性能电化学储能设备至关重要。基于此, 本文综述了MXene材料在超级电容器储能应用领域的研究进展, 介绍了MXene的结构和储能特性, 探讨了MXene的储能机理, 重点剖析了纳米工程改进MXene电极性能的结构设计, 详细总结了MXene复合材料构效关系和在超级电容器应用方面的最新研究进展, 最后提出了MXene材料用作超级电容器电极的研究方向和发展趋势。

以木糖为碳源, 利用嵌段共聚物聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷 (P123)/十二烷基硫酸钠(SDS)混合乳液构筑微反应器, 水热炭化制备马蹄形中空多孔炭。研究表明木糖在微反应器与溶液界面发生水热反应, 160 ℃水热条件下P123的亲水聚环氧乙烷嵌段(PEO)亲水性下降并向乳液内部增溶, 使乳液逐渐润胀和破裂。P123/SDS质量比会影响微反应器的完整度, 而水热时间可以调控微反应器的开口角度和空腔直径。开放性空腔能储存更多电荷和离子并缩短传输距离, 使多孔炭的比电容和能量密度增大且与空腔直径呈正相关关系。当P123/SDS质量比为1.25 : 1、水热时间为12 h时, 马蹄形中空多孔炭的开口角度(63°)和空腔直径(80 nm)最大、电化学性能最佳, 在6 mol·L^-1 KOH三电极体系中电流密度1 A·g^-1时比电容达292 F·g^-1; 在两电极体系中电流密度0.2 A·g^-1时比电容达185 F·g^-1, 能量密度达6.44 Wh·kg^-1; 电流密度5 A·g^-1时5000次充放电循环后电容保持率达94.83%。

人类发展的历史, 也是能源变革的历史, 人类社会的每一次技术革命无不伴随着对能源认识、开发和利用的创新与进步。当下, 我国已经成为全球排名第一的能源生产和消费大国, 并且两个总量还在不断攀升。能源技术是解决对传统化石能源过度依赖及环境污染等问题, 构建合理的社会能源结构, 推进可持续发展, 实现“双碳”减排的关键手段。2020年, 我国以太阳能、风能为代表的可再生能源增长达到全世界的三分之一, 发展迅速。这其中, 能源材料是能源工业和能源技术体系中涉及的特殊材料, 在实现清洁能源的转化和利用, 发展新能源技术, 以及支撑整个能源系统中扮演着核心角色。
近年来, 能源材料在诸多领域取得了广泛而持续的发展, 包括二次电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容器、光电催化、含能材料等。比如, 以高镍三元材料(NCM)为代表的新型锂离子电池正极材料, 正引领着新一代汽车动力电池技术的发展, 以支持更快的充电速度、更久的服役寿命和更长的行驶里程^[1-4]。不断提升的储能需求也催生了一系列新型电池技术, 如锂硫^[5]、锂空气^[6]电池体系, 以及固态电池^[7]技术等, 多种技术并行发展。它们在能量密度、经济性、安全性等方面各具优势, 但也存在如锂硫电池中多硫化锂造成的穿梭效应, 锂空气电池中放电产物易堵塞基底的孔道以及固态电池中电解质的电导率不佳等诸多问题, 其技术完善和产业化推动强烈依赖于电极和电解质材料的创新设计和结构优化。同时, 为了提高非化石能源占一次能源的消费比, 太阳能电池作为新能源技术的翘楚, 被寄予厚望。其中, 以钙钛矿为代表的第三代太阳能电池技术已获得与单晶硅相媲美的光电转换效率^[8], 让人们对光伏产业的未来充满了期待, 然而其对温、湿、光、氧的敏感性和不稳定性^[9], 以及在材料制备过程中难以回避污染环境的含Pb原料, 种种问题仍需从材料的底层设计中寻求解决之道。此外, 以Pt、Pd等贵金属为代表的传统催化剂材料不断优化, 以及开发的新型非贵金属、非金属催化剂, 正逐步提高燃料电池的能量转换效率, 降低其技术成本, 并已取得了一定程度的商业化应用^[10-11]。同时, 涉及如CO₂还原、固氮等过程的光、电催化新材料与新技术, 也为可再生能源的存储及利用形式提供新的出口, 为2030年完成碳达峰、2060年实现碳中和提供技术支撑^[12-13]。
在可持续发展的时代大背景以及竞争激烈的国际前沿科技大环境下, 我国在能源材料的理化机理探索、功能发现、精准设计制备以及先进器件组装等方面做出了许多开创性的工作。为集中展示我国学者在相关领域的研究成果, 推动学术交流, 激发社会各界对能源材料的兴趣, 南京理工大学联合中国科学院上海硅酸盐研究所、华中科技大学等单位组织出版“能源材料专辑”, 专辑收录了能源材料相关的最新研究论文和综述文章, 涉及钙钛矿太阳能电池、半透明太阳能电池、锂离子电池、镁电池、锂硫电池、热电、二氧化碳裂解等。期望该专辑能够抛砖引玉, 为促进我国能源材料的科学研究和学科发展提供有益参考。

以天然矿物纤水镁石为模板、蔗糖为碳源制备多孔碳纳米管, 并以硫脲为氮、硫源, 采用水热法制备氮/硫共掺杂的碳纳米管。结果表明, 掺杂碳纳米管继承了纤水镁石模板的柱状结构, 呈现中空管状, 增大了模板炭的比表面积和孔容。在6 mol·L^-1 KOH电解液中, 电流密度为1 A·g^-1时, 未掺杂碳纳米管的比电容为62.2 F·g^-1, 氮掺杂之后碳纳米管的比电容为97.0 F·g^-1, 氮/硫共掺杂的碳纳米管比电容为172.0 F·g^-1, 氮/硫共掺杂后碳纳米管的电化学性能比未掺杂的提高近3倍; 循环1000次电容保持率达89%, 说明掺/硫共掺杂碳纳米管具有良好的电化学性能。此外, 组装的对称型超级电容器同样展示了良好的电容性能。

碳材料是极具潜力的超级电容器电极材料, 但是其容量较低。异质原子掺杂, 尤其是氮掺杂, 是大幅度提高碳材料电化学性能的有效方法。但是在碳材料中实现高含量的活性氮掺杂仍极具挑战。本研究通过Si-O-Si网络和氧化铝之间的相互作用成功调节碳材料的掺氮种类及其含量。除此之外, 通过调节前驱体组成, 碳材料的结构可以从珊瑚状转变为三维结构。在反应中, 氧化物中的氧原子可以和碳材料中氮原子成键, 氮原子不易逃离, 从而实现高含量氮掺杂(5.29at%@1000 ℃)。另一方面, 相互作用使碳材料孔体积增大(1.78 m³·g^-1)和孔径分布加宽(0.5~60 nm)。因此, 获得的富氮掺杂碳材料具有302 F·g^-1@1 A·g^-1的高容量和177 Fg^-1@120 A·g^-1的杰出倍率性能。此独特的固氮方法是一种有潜力的制备高性能超级电容器电极材料的策略。

高熵氧化物以其独特的结构和潜在的应用前景引起了越来越多的关注。本工作采用简单易行的固相反应法制备了M₃O₄(M=FeCoCrMnMg)高熵氧化物粉体, 采用不同手段对粉体进行表征, 并采用涂覆法制备了 M₃O₄/泡沫镍(M₃O₄/NF)复合电极, 研究其超电容性能。结果表明, 随着煅烧温度升高, Fe₂O₃(H)/Co₃O₄(S)/Cr₂O₃(E)和Mn₂O₃(B)相继固溶进入尖晶石主晶相晶格; 在900 ℃煅烧2 h所得M₃O₄粉体的平均粒径为0.69 μm, 具有单一尖晶石结构(面心立方, Fd-3m, a=0.8376 nm), 且Fe、Co、Cr、Mn和Mg五种元素在晶粒内均匀分布, 呈典型的高熵氧化物特征。此外, M₃O₄/NF复合电极在1 mol/L KOH的电解液中, 当电流密度为1 A·g^-1时, 其质量比电容达到193.7 F·g^-1, 可见M₃O₄高熵氧化物在超级电容器电极材料领域具有良好的应用前景。