本研究通过无表面活性剂的共沉淀 - 水热法合成了具有 1:1 钴/镍原子比的纳米级双金属镍钴氢氧化物 [NiCo(OH)4]，其中系统地改变溶液 pH 值以引导结构演变。生长过程始于氢氧化物纳米片的成核，随后溶解并重结晶为堆叠的六角形盘状架构。在制备的样品中，pH 9.0 条件下合成的材料表现出最有利的电化学行为，在 0.5 A g−1电流密度下提供 621 F g−1的高比电容，并在 10 A g−1下保持 400 F g−1，优于在 pH 8.0、10.0 和 11.5 条件下获得的样品。形貌、结构和光谱表征证实，NCH-2（pH 9.0 样品）增强的性能源于其多孔纳米结构、缺陷中心以及改善的离子/电子传输动力学，这些特性使其适用于储能应用。
**论文解读：pH 调控镍钴氢氧化物纳米结构及其在储能中的应用**
**研究背景与意义**
随着化石燃料储备的枯竭及碳排放问题的加剧，全球能源需求迅速增长，开发替代性绿色能源迫在眉睫。风能、太阳能等可再生能源具有间歇性，因此高效储能系统的改进至关重要。在各类储能系统中，电化学储能因其高效率、长循环寿命和设计灵活性而被广泛应用，主要包括二次离子电池和超级电容器。超级电容器分为双电层电容器（EDLCs）和赝电容器（PCs）。虽然碳基材料常用于 EDLCs 且循环稳定性好，但电容较低；过渡金属氧化物（如 RuO
2）虽电容高但成本昂贵。第一排过渡金属层状氢氧化物，特别是钴（Co）和镍（Ni）的氢氧化物，因具备优于氧化物的比电容和倍率性能而成为研究热点。然而，α相氢氧化物虽层间距大利于离子嵌入但稳定性差，β相稳定性好但电容相对较低。现有研究表明，通过调控合成参数（如温度、时间、pH 值）可优化材料的结晶度、形貌、孔隙率及缺陷浓度，进而提升电化学性能。尽管已有研究涉及 pH 值对材料形貌的影响，但关于 pH 值如何具体调控 Ni-Co 双金属氢氧化物中α/β相比例、缺陷状态（如空位）及其与电化学动力学（扩散控制与电容贡献的平衡）之间深层关联的研究尚不充分。因此，本研究旨在通过系统调节合成过程中的 pH 值，制备不同相组成和缺陷状态的 NiCo(OH)
4纳米结构，揭示 pH 值对材料微观结构及储能机制的影响规律，为高性能电极材料的设计提供理论依据。该研究成果发表于《Energy Advances》。
**主要研究方法**
研究人员采用无表面活性剂的共沉淀结合水热法合成纳米级双金属 NiCo(OH)
4。实验以硝酸镍和硝酸钴为前驱体，利用氨水调节反应体系 pH 值至 8.0、9.0、10.0 和 11.5，经 120°C 水热反应 4 小时制得系列样品（分别标记为 NCH-1 至 NCH-4）。研究综合运用了同步辐射 X 射线衍射（SXRD）分析晶相与微观应变，场发射扫描电子显微镜（FESEM）观测形貌，X 射线光电子能谱（XPS）探测表面元素价态及缺陷，以及电化学工作站进行循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）测试，并结合 Dunn 模型动力学分析电荷存储机制。
**研究结果**
**3.1. X 射线衍射图样**
XRD 分析显示所有样品均为α相和β相的混合物。研究发现，pH 9.0 的 NCH-2 样品中α相含量最低，β相纯度相对较高。通过 Williamson-Hall 关系计算得出，NCH-2 和 NCH-3 的微观应变显著低于 NCH-1，且β相晶粒尺寸适中（32-45 nm），表明适中的 pH 条件有利于形成结晶度良好且应力较小的结构。
**3.2. 傅里叶变换红外光谱**
FTIR 光谱证实了样品中羟基、层间水分子及硝酸根的存在。其中 NCH-2 和 NCH-3 样品的 Ni/Co-O 键伸缩振动峰最尖锐，表明其具有更好的结晶性质，这与 XRD 结果一致。
**3.3. 形貌与表面积研究**
FESEM 图像显示，所有样品均呈现直径 1-2 μm 的盘状结构。NCH-2 样品展现出更均匀、轮廓清晰的盘状形貌，且具有明显的开放性结构，利于离子传输通道形成。BET 测试表明，尽管 NCH-4 具有最大的比表面积，但 NCH-2 凭借其中孔结构和适宜的孔隙体积，表现出更优的离子传输动力学，证明了孔结构质量优于单纯的表面积大小。
**3.4. X 射线光电子能谱**
XPS 分析揭示，性能优异的 NCH-2 和 NCH-3 样品表面存在显著的 Ni
3+和 Co
3+信号，而低性能样品中这些高价态信号较弱或缺失。这表明适当的 pH 条件诱导了钴空位和氧间隙等缺陷态的形成，这些缺陷作为活性中心有效促进了电荷存储。
**3.5. 电化学结果**
CV 和 GCD 测试表明，NCH-2 样品表现出最佳的电化学性能，其在 5 mV s
−1下的比电容高达 1230 F g
−1，在 0.5 A g
−1下为 621 F g
−1，且在 10 A g
−1大电流下仍保持 400 F g
−1（保持率约 75%）。Dunn 模型动力学分析指出，NCH-2 的电荷存储由扩散控制和表面电容过程共同主导，两者平衡良好。EIS 结果显示 NCH-2 具有最低的溶液电阻和电荷转移电阻，且表现出理想的半无限扩散特征，证实了其快速的反应动力学。
**结论与讨论**
本研究成功合成了一系列不同 pH 条件下的 NiCo(OH)
4纳米结构，并证实 pH 9.0 是优化其电化学性能的关键条件。NCH-2 样品的卓越归因于其优化的α/β相比、丰富的结构缺陷（如钴空位和氧间隙）以及由此带来的优异离子/电子传输动力学。研究结果表明，通过精细调控合成 pH 值进行缺陷工程和形貌调控，是提升双金属氢氧化物基储能器件性能的有效策略。此外，基于 NCH-2 组装的对称扣式电池器件展现出良好的循环稳定性和实际应用潜力，进一步验证了该材料的实用价值。
