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CEJ：空心NiS/MnS微球：分级孔隙结构与异质界面协同效应用于超高速率超级电容器

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2025-09-09

导读：CEJ：空心NiS/MnS微球：分级孔隙结构与异质界面协同效应用于超高速率超级电容器

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文章信息

空心NiS/MnS微球：分级孔隙结构与异质界面协同效应用于超高速率超级电容器

第一作者：林敏怡

通讯作者：林晓明*，徐志广*，王大为*

单位：华南师范大学，中山大学

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研究背景

全球能源需求持续增长，而化石燃料消耗带来严重环境问题，推动了高效清洁能源存储技术的发展。超级电容器因高功率密度和长循环寿命成为研究热点，但其能量密度限制了广泛应用。金属硫化物因灵活的结构可调性和丰富的氧化还原化学特性成为理想的电极材料候选。其中，镍基硫化物因高理论比电容、多价态和成本效益，而锰硫化物则因其在太阳能电池和能源存储中的潜力备受关注。然而，单组分系统性能有限，构建复合纳米结构成为提升电化学性能的可行途径。本研究采用金属有机骨架(MOF)作为自牺牲模板，创新性地合成了具有空心结构的NiS/MnS纳米复合材料，利用其协同效应显著提升了超级电容器性能。该研究为高性能超级电容器电极材料设计提供了新策略，并阐明中空异质结构在储能中的优势，为材料开发提供一定的理论基础。

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文章简介

近日，华南师范大学林晓明教授与中山大学王大为副教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“ Hollow NiS/MnS microspheres: synergistic effects of hierarchical porosity and heterointerfaces for ultrahigh-rate supercapacitors”的观点文章。该研究通过溶剂热法成功制备了具有层级多孔结构的空心NiS/MnS纳米复合材料，系统比较了三种不同有机配体(异烟酸INA、均苯四酸PMA和均苯三酸BTC)合成的材料性能。过密度泛函理论计算，研究团队揭示了NiS/MnS异质界面增强电子导电性和促进离子传输的机制，证实了多孔结构和异质界面协同效应对提升电化学性能的重要性。

图1. 不同配体制备的NiS/MnS复合材料的合成路线。

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本文要点

要点一：创新合成策略与材料设计

利用双金属MOF前驱体策略成功合成了空心NiS/MnS复合电极材料，系统探究了有机配体（异烟酸INA、均苯四酸PMA和均苯三酸BTC）对产物结构的调控作用。研究发现，以异烟酸为配体的NMS-I样品形成了独特的纳米花状多孔结构，具有最大比表面积和孔容积。DFT计算揭示NiS/MnS异质界面显著增强了电子导电性（促进电子离域化）并提高了OH⁻吸附能力，降低了离子迁移能垒，实现了结构和组成的双重协同效应。这种多级孔道结构不仅提供了丰富的电化学活性位点，还形成了高效的离子/电子传输通道。

图2. (a) NiS, MnS和NiS/MnS的结构图和(b) PDOS和(c) 总DOS, (d) 原子模型及OHˉ的吸附能。

要点二：卓越电化学性能与动力学特征

基于优化的层级多孔结构和异质界面，NMS-I电极在1A/g电流密度下展现出1276.8 F/g的超高比电容，显著优于单组分NiS（668F/g）和MnS（747F/g）体系。即使在10 A/g高电流密度下仍保持876 F/g的高比电容，容量保持率达68.83 %。动力学分析表明，该材料展现出扩散控制与电容控制的混合能量存储机制：低扫描速率下扩散控制占主导，随着扫描速率增加，电容贡献比例逐渐提高。这种双机制协同作用使材料在高速充放电条件下仍保持优异的倍率性能，有效解决了传统赝电容材料的局限性。

图3.（a-c）NMS-I、NMS-T和NMS-P在不同电流密度下的电容保持率，（d-f）NMS-I、NMS-T和NMS-P的峰值相关电容机制的Log(i)-log(v)图，（g）NMS-I中电容和扩散电荷存储的贡献，（h）NMS-I在10 A g^–1下的循环稳定性（插图显示循环期间的GCD曲线）。

要点三：前瞻

构建了以NMS-I为正极、活性炭为负极的非对称超级电容器，在0.7-1.6 V的有效电压窗口内，实现了400 W/kg功率密度下27.48 Wh/kg的能量密度，超越了多种空心结构材料在高功率密度下的能量输出能力。该器件经10,000次循环后容量保持率达82.8%，展示出优异的循环稳定性。这种出色性能归因于MOF衍生的分层多孔结构有效缓解了充放电过程中的体积变化。研究表明，这种MOF模板策略可扩展至其他过渡金属组合，为设计高性能复合电极材料提供了新思路，对推动超级电容器在能源存储领域的实际应用具有重要意义。

图4. NMS-I//AC混合超级电容器的电化学特性，（a）两电极配置示意图，（b）NMS-I和AC在三电极中以10 mV s^–1的CV曲线，（c）NMS-I//AC在不同电压范围内的CV曲线（30 mV s^–1），（d）1 A g^–1的GCD曲线，（e）不同扫描速率下的CV曲线，（f）不同电流密度下的GCD曲线，（g）随着电流密度增加的电容演变，（h）Ragone图[56–63]，（i）10 A g^–1的循环稳定性。

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文章链接

Hollow NiS/MnS microspheres: synergistic effects of hierarchical porosity and heterointerfaces for ultrahigh-rate supercapacitors

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167691

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通讯作者简介

林晓明，博士，华南师范大学化学学院教授，博士生导师。惠州亿纬锂能股份有限公司–华南理工大学联合培养博士后，中国科学技术大学访问学者，新加坡南洋理工大学访问学者。主要研究方向为金属−有机框架(MOFs)及其衍生材料在电化学能源储存和转化上的应用，以第一作者/通讯作者在Advanced Materials, Nano-Micro Letters, Advanced Functional Materials, Electrochemical Energy Reviews, Carbon Energy, EnergyChem等国际著名学术刊物发表SCI论文150篇，入选2024年全球前2%顶尖科学家榜单，参与编著两部，授权中国发明专利23项，获2025年中国发明协会发明创业奖成果奖二等奖。主持国家自然科学青年基金、广东省科技计划项目、广州市科技计划项目、广东省研究生教育创新计划等项目。担任《化学与化工研究》编委、《材料研究与应用》青年编委会副主任编委, 《Nano-Micro Letters》、《Exploration》、《Materials Futures》和《Chinese Journal of Structural Chemistry》青年编委，广东省材料研究学会青年工作委员会委员，广州市农村科技特派员。

王大为副教授简介

王大为，博士，中山大学化学学院副教授。主要研究方向为超分子基功能纳米材料，主持及参与国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省国际科技合作项目等14项，在J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Chem. Mater.、Small等学术期刊等发表论文40余篇，多篇论文入选热点论文、（内）封面论文或被MaterialsViewsChina、Chemical & Engineering News、Nature Chemistry、Chemistry World等学术期刊与专业媒体报道报道或评论。