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文 章 信 息
超越传统复合材料：MXene量子点增强同构钴锰硒化物/硫化物电极实现卓越赝电容性能
第一作者：崔宇晗
通讯作者：孙晶*，王艺凝*，赵立杰*
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研 究 背 景
超级电容器因其绿色安全、成本较低等优势，被认为是推动可再生能源转型的重要储能器件。然而，其能量密度偏低一直是制约发展的关键瓶颈。通常，提高能量密度可从提升电极材料的比电容或拓宽器件的工作电压两方面入手。储能公式（E=½CV²）表明，扩大电压对能量密度的提升效果，远优于单纯增加比电容。但如何在实现高工作电压的同时，保持材料结构稳定，仍是当前电极材料设计面临的主要挑战。过渡金属硫属化物凭借其高比容量和良好导电性，被视为提升超级电容器能量密度的关键材料之一。然而，该类材料在水系电解液中通常存在电压窗口窄（一般≤0.5V）的问题，限制了其实际储能表现。虽然相比氧化物等材料，硫属化物具备拓宽电压窗口的潜力，但常见的单金属或简单复合体系仍难以突破0.5V的限制，且在高电位下结构稳定性不足，导致理论储能能力无法充分发挥。为此，研究者提出共晶硫化硒结构，通过硒、硫两相的协同作用来拓宽电压窗口：硒相在界面形成保护层，抑制析氢反应；硫相则维持离子与电子传输通道。二者协同可在更宽的电位区间内连续储能。为进一步提升性能并保持长期循环稳定，引入高导电基底构建稳固的导电网络，成为优化该类电极结构的重要方向。MXene作为一种新型二维材料，因其出色的导电性与高比表面积，被视为构建不对称超级电容器电极的理想基底。然而，其片层结构易发生堆叠，导致离子传输通道堵塞，限制了实际性能发挥。为解决这一问题，研究人员转向MXene量子点（MQD）。MQD在保留MXene高导电性的同时，凭借纳米尺寸效应有效抑制堆叠，并为电极提供更多活性位点。将其负载于共晶硫化硒表面，可构建快速离子传输网络，且MQD表面的官能团有助于抑制析氧反应，从而拓宽工作电压窗口。为实现共晶硫化硒的理想结构，研究采用沸石咪唑酯骨架（ZIF）作为前驱体。ZIF具有规则孔道与丰富活性位点，其立方结构可通过拓扑转换精准继承至目标硫属化物中，保障了材料在原子层面的有序性与稳定性。
综上，通过ZIF模板衍生的MQD修饰共晶硫硒化物，构建兼具高导电网络、宽电压窗口与稳定框架的复合电极，为开发下一代高性能超级电容器提供了富有潜力的材料设计策略。
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文 章 简 介
近日，来自长春理工大学的孙晶教授，王艺凝副教授与齐齐哈尔大学的赵立杰教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Beyond conventional composites: MXene quantum dot-enhanced isomorphic CoMn selenide/sulfide electrodes for extraordinary pseudocapacitive performance”的研究类文章。突破超级电容器能量密度瓶颈，关键在于电极材料革新。过渡金属硫属化物虽储能潜力大，却常受导电性差与结构不稳定制约。为此，通过两步水热法，设计出一种基于ZIF衍生MXene量子点（MQD）支撑的同构钴锰硒硫化物复合电极材料。该结构巧妙融合硒硫协同效应与MQD的离子短程扩散优势，使材料在碱性条件下突破0.5 V电压限制，实现0.55 V的充放电窗口。基于该电极组装的非对称超级电容器，工作电压可达1.6 V，在功率密度817.52 W kg⁻¹下，能量密度高达83.91 Wh kg⁻¹，且在1.6 V电压下循环10000次后，电容保持率仅衰减13.09%。本研究为过渡金属硫属化物电极的设计与MXene基底转化提供了新思路，助力开发兼具高能量密度与长循环稳定性的超级电容器体系。
Fig. 1. Synthesis process and energy storage mechanism diagram of Co0.6Mn0.4Se/Co0.77Mn0.23S@MQDs with consistent space group and its contrast materials.
Fig. 2. (a,c) Transmission electron microscopy (TEM) of Mn0.6Co0.4Se/Mn0.77Co0.23S@MQDs at different magnifications, (e) EDS spectra of the samples, (f-l) EDS mapping images of the elements Co, Mn, Se, S, Ti and C, (m) XRD pattern of Mn0.6Co0.4Se/Mn0.77Co0.23S@MQDs and its Contrast Materials, (m) FT-IR spectra of samples, (o) Raman spectra of samples.
Fig.3 (a) CV curves for the ZIF-67, Mn0.6Co0.4Se/Mn0.77Co0.23S@MQDS (one pot) and Mn0.6Co0.4Se/Mn0.77Co0.23S@MQDS, (b) GCD curves at 1 A g−1 for different electrodes, (c) EIS spectra of various electrodes, (e) CV curves of Mn0.6Co0.4Se/Mn0.77Co0.23S@MQDS at various scan rates from 5 to 25 mV s−1, (f) The square root of peak current density versus square root of the scan rate for Mn0.6Co0.4Se/Mn0.77Co0.23S@MQDS, (g) The capacitive contribution to the total stored charge of Mn0.6Co0.4Se/Mn0.77Co0.23S@MQDS under various scan rates, (h) GCD curves of Mn0.6Co0.4Se/Mn0.77Co0.23S@MQDS in different current densities. The charge storage mechanism of Mn0.6Co0.4Se/Mn0.77Co0.23S@MQDS electrode based on the ex-situ characterization technique: (j) GCD plots labeled with various charge–discharge states. (k, l) XRD patterns at various charge-discharge states.
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本 文 要 点
要点一：
采用简便、环保的两步水热法，成功制备了MXene量子点（MQD）均匀包覆的共晶多元硫属化物复合材料。该方法不仅工艺简单、条件温和，还有效促进了MQD在硫硒化物表面的紧密附着，构建了稳定的导电-储能一体化结构。
要点二：
基于ZIF前驱体的拓扑转换导向，我们成功构筑了沿同一空间群共晶生长的珊瑚状多元硫属化物。该独特结构不仅实现了晶体取向的高度一致，其开放、多级的珊瑚状形貌还有效促进了电解质的渗透与传输，并大幅增加了活性位点的暴露，从而显著提升了材料的反应动力学与电荷存储效率。
要点三：
通过调控晶体结构，我们实现了MXene量子点与多元硫属化物在相同空间群下的精准复合。两者间的晶格匹配与电子耦合产生了显著的协同效应：量子点的高导电网络加速了电荷转移，而硫属化物提供了丰富的氧化还原活性中心。这一协同作用不仅显著增强了材料的赝电容储能，还提升了反应可逆性，使电极在高倍率下仍能保持优异的储能性能。
要点四：
该复合电极材料实现了83.91 Wh kg⁻¹的高能量密度，显著优于多数已报道的水系超级电容器体系。这一性能指标充分展现出其在大功率储能、快速充放电设备等实际应用中的巨大潜力，为推进高能量密度超级电容器的实用化迈出了关键一步。
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文 章 链 接
Beyond conventional composites: MXene quantum dot-enhanced isomorphic CoMn selenide/sulfide electrodes for extraordinary pseudocapacitive performance
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.172357
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通 讯 作 者 简 介
孙晶：教授，博士生导师，吉林省光学材料与化学科技创新中心负责人。现任中国稀土学会第七届稀土晶体专业委员会委员、吉林省化工学会常务理事、吉林省化学会理事。主要从事光/电功能材料与化学研究。主持及参与完成课题21项，目前在研课题3项。以第1名获吉林省自然科学三等奖1项，以第一作者出版专著1部，授权中国发明专利2件。以通讯作者在 Coord. Chem. Rev.，J. Colloid Interface Sci.，Anal. Chem.，Sens. Actuators B: Chem.，Chem. Eng. J.等期刊发表SCI论文50余篇，其中高被引兼热点论文1篇，获得ICF 2014-2023年度卓越论文奖1项。
王艺凝：长春理工大学化学与环境工程学院副教授，硕士生导师，吉林省高层次E类人才。2021年于南京理工大学获得工学博士学位，师从朱俊武教授。目前主要从事纳米功能化材料的设计合成及其在能量储存与转化领域的应用研究。主持国家自然科学基金青年项目、吉林省自然科学基金等多个项目。近年来，在PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Sci. Adv.、Environ. Sci. Technol.、Anal. Chem.等国际知名期刊上发表论文20余篇。
赵立杰：齐齐哈尔大学化学与化学工程学院教授，硕士生导师。1990年毕业于东北师范大学化学系，2006年获得硕士学位，主要从事纳米材料的合成及其在光催化、电化学储能方面的应用研究。以第一或通讯作者在Journal of Colloid And Interface Science，Microchemical Journal，Applied Materials & Interface.等权威期刊上发表学术论文10余篇。
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第 一 作 者 简 介
崔宇晗简介：博士研究生，男，2023级博士研究生，现就读于长春理工大学化学与环境工程学院，导师为孙晶教授。
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