过渡金属硫化物因其高理论比电容和优异的电化学活性引起了广大研究学者的兴趣。而NiS作为其中一种，仍存在导电性低和体积结构变化大的缺点，致使电极材料的离子扩散缓慢且比容量不理想。相关报道从理论和实验上都表明合理设计和制备可控微观形貌和结构是提高硫化镍储能性能的有效策略。
为了提高NiS电极材料性能，近日，烟台大学环境与材料工程学院杜伟教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal（中科院一区TOP，IF:13.273）上连发两篇题为“Morphology controlled hierarchical NiS/carbon hexahedrons derived from nitrilotriacetic acid-assembly strategy for high-performance hybrid supercapacitors”（第一作者为硕士研究生吴丹和解秀波副教授，通讯作者为杜伟教授）和“Embedding NiS nanoflakes in electrospun carbon fibers containing NiS nanoparticles for hybrid supercapacitors”（第一作者为硕士研究生吴丹，通讯作者为杜伟教授和解秀波副教授）的高水平研究论文。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133673
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137262
超级电容器因其能量密度高、循环稳定性好等优点备受科研工作者的青睐，而对其电极材料的研发和优化是提升储能性能的关键。该团队提出了一种次氮基三乙酸（NTA）辅助水热制备金属硫化物电极材料的创新策略。该策略巧妙利用了NTA的络合作用，在实现碳材料和NiS的牢固结合的同时，有效调控了复合材料单元结构的微观形态，其形貌演变如图1和2所示。得益于分层组装模式和稳定键合的协同作用，优化后的NiS/碳电极（NiS/NTA-2）在1.0 A g-1下具有1530.4 F g-1的优异比电容和5000次循环后85.6%的出色循环稳定性。所构建的NiS/NTA-2//AC混合超级电容器具有高达35.1 Wh kg-1的能量密度。该策略利用金属络合物独特的化学性质，显著提升了超级电容器的储能效果，为相关研究提供了新思路。
图1不同NTA含量NiS/碳复合材料的SEM照片及元素分布
图2 NiS/碳六面体复合材料的形貌示意图
此外，该团队创新性地提出了一种新颖且可扩展的“内外协同”策略来全面提升超级电容器的电化学性能。通过该策略将尺寸均匀的NiS纳米颗粒通过静电纺丝技术封装在碳纤维的内部区域作为氧化还原活性剂，不但赋予电极法拉第电容，而且有效地避免了纳米颗粒的聚集。同时，均匀分布的NiS纳米片通过浸渍-硫化过程牢固地嵌入在碳纤维的外表面，显著扩大了离子扩散区域，并缓解了体积膨胀，如图3和4所示。特殊的结构设计使NiSNF/CF@NiSNP-3电极在1.0 A g-1下具有高达1691.1 F g-1的比电容。组装的NiSNF/CF@NiSNP-3//AC混合超级电容器的最大能量密度和功率密度高达31.2 Wh kg-1和4004.3 W kg-1。这种“内外结构同时利用”的设计为增强纤维类电极材料的储能效果提供了有吸引力和指导性的见解，并且可以被扩展应用到各类能源材料系统之中。
图3 NiSNF/CF@NiSNP复合材料的（a）结构设计理念和（b）制备流程示意图
图4 NiSNF/CF@NiSNP制备过程中的微观图
杜伟教授长期致力于碳基复合材料的制备及器件应用研究，已完成国家自然科学基金和山东省中青年科学家奖励基金各1项，山东省研究生教育创新项目1项，参与省部级以上项目7项。在Chemical Engineering Journal，Journal of Colloid and Interface Science，ACS Applied Materials & Interfaces，Nanoscale等国际高水平学术期刊发表SCI论文80余篇，被引用2000余次。应出版社邀请，成为Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A、Electrochimica Acta、Journal of Alloys and Compounds、Journal of Materials Science、Journal of Energy Chemistry、Journal of Electroanalytical Chemistry等杂志审稿人。
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