厦大叶美丹教授、贵州大学梁锦霞教授CEJ：通过双模板策略构筑NiCo2S4/MXene/NC分级空心微球用于高性能混合超级电容器

第一作者：李宝宝

通讯作者：梁锦霞*、叶美丹*

单位：厦门大学

过渡金属硫化物(TMS)因其更高的电导率，更丰富的氧化和还原活性，可以提高其比电容和锂(钠)储存容量而被认为是超级电容器和LIB(SIBs)更有希望的电极材料，特别是以双元过渡金属硫化物NiCo₂S₄为例，NiCo₂S₄拥有比NiCo₂O₄更高的比容量，但其在电化学循环过程中的体积变化导致的稳定性问题阻碍了其实际应用，如何抑制其体积变化导致的结构退化是当前研究过渡金属硫化物的重点。

近日，厦门大学叶美丹教授和贵州大学梁锦霞教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为”Unraveling hierarchical hollow NiCo₂S₄/MXene/N-doped carbon microspheres via dual templates for high-performance hybrid supercapacitors”的研究论文。该论文通过将聚乙烯微球与金属有机框架(MOF)作为牺牲模板，并结合二维材料MXene纳米片，制备了NiCo₂S₄/MXene/NC分级空心微球结构，成功实现了该电极材料在大电流40 A g^-1下长循环10000次后容量保持110% 的优异循环稳定性，随后结合非原位XPS与理论计算分析了NiCo₂S₄/MXene/NC的电荷储存机理，证实了MXene的引入和分级空心结构可以有效地提高NiCo₂S₄的电导率以及抑制电化学循环过程中的体积变化。

在三电极系统中，NiCo₂S₄/MXene/NC实现了在电流密度1A g^-1条件下1786 F g^-1的高比电容、40 A g^-1条件下925 F g^-1的高容量保持率和40 A g^-1条件下进行长循环10000次后容量保持率110% 的高循环稳定性。

要点二：MXene空心球的引入可以有效抑制NiCo₂S₄/NC的体积变化

通过对比NiCo₂S₄/MXene/NC和NiCo₂S₄/NC进行长循环前后的形貌、充放电曲线以及EIS图谱，表明了利用MXene对金属离子的锚定效应可以有效的抑制频繁充放电过程中NiCo₂S₄/NC的体积变化，从而提高其长循环稳定性。

通过第一性原理计算对NiCo₂S₄/MXene和NiCo₂S₄的态密度、吸附能和电荷转移进行了计算。计算结果表明，NiCo₂S₄在费米能级附近的PDOS主要是由Co-d、Ni-d和S-p轨道贡献。然而，引入 MXene 后，费米能级附近的PDOS 增加了，这归因于MXene中的 Ti-d 轨道，从而进一步提高了复合材料 NiCo₂S₄/MXene的金属导电性。另一方面，计算结果表明两者的吸附能相差极小，这表明引入MXene空心球不会影响NiCo₂S₄的电化学性质。NiCo₂S₄/MXene 界面的电荷密度曲线显示，电子从NiCo₂S₄转移到了 MXene，这有利于导电性的提高。因此，NiCo₂S₄/MXene比 NiCo₂S₄可以表现出更高的导电性，进而显示出更优越的电化学性能。

通过非原位XPS方法对NiCo₂S₄/MXene/NC在碱性电解质中进行电化学反应中各元素的价态变化进行了详细探究。结果表明，经过电化学循环过程后，部分硫化物不可逆地转化为氢氧化物。此外，反应过程中硫化物与氢氧化物和氧化物会发生相互转化，但其转化过程中的物相主要以氢氧化物为主，少量转化为氧化物。

“Unraveling hierarchical hollow NiCo₂S₄/MXene/N-doped carbon microspheres via dual templates for high-performance hybrid supercapacitors”

叶美丹：厦门大学教授，博士生导师。长期从事电化学储能材料和柔性传感材料的开发和应用研究。以通讯作者或第一作者身份在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、Adv. Energy Mater.等学术刊物上发表50多篇研究论文，论文被引用超过5000多次，H-Index为37。

梁锦霞：贵州大学教授，硕士生导师。2012年获厦门大学理学博士学位。2012-2014年在清华大学化学系从事博士后研究。主要研究方向为：单原子催化剂的理性设计及其催化反应机理的理论研究。主持国家自然科学基金青年项目、地区项目、贵州省基金等；参与科技部重点研发计划子课题。目前已在Chem. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、 Chem、 Nat. Commun.、ACS Catal.、J. Mater. Chem. A、Nano Res. 和Chin. J. Catal.等期刊上发表论文50余篇。

李宝宝：硕士研究生，就读于厦门大学物理科学与技术学院