镍掺杂钴硫化物与聚苯胺纳米杂化物的组分工程及其在下一代超级电容器中的应用

研究人员开发了一系列不同质量比（3:7、5:5、7:3）的镍-钴硫化物@聚苯胺（Ni-Co3S4@PANI）纳米复合材料，旨在系统探究两组分间的协同作用。其中Ni-Co3S4纳米结构采用水热法合成，随后通过简单的物理共混策略与氧化聚合得到的PANI复合，该策略促进了协同界面的形成，确保了杂化结构内均匀的分散性及增强的电子与离子传输路径。X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）及拉曼光谱证实了杂化材料的成功制备。电子显微镜观察显示Ni-Co3S4有效插层于PANI基质中，X射线光电子能谱（XPS）与Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析则评估了其元素组成、价态及表面性质。在三电极体系下的电化学测试表明，电容性能强烈依赖于Ni-Co3S4@PANI的比例。其中，Ni-Co3S4@PANI（5:5）在1 A/g的电流密度下表现出最高的比电容（Cs）1655 F/g（对应比容量（Qs）为745 C/g），优于其他比例及纯组分，这归因于其导电性与氧化还原活性达到了优化平衡。基于该材料构建的混合超级电容器（Ni-Co3S4@PANI（5:5）//活性炭（AC））表现出149 F/g（238 C/g）的比电容，能量密度达52.9 Wh/kg，功率密度为800.1 W/kg，并在7 A/g下循环10,000次后保持了85%的电容。结果表明，精细调控Ni-Co3S4@PANI比例是获得优异电化学性能的关键，强调了组分优化作为开发高性能混合超级电容器的重要策略。

该研究针对全球能源需求激增背景下，可再生能源间歇性供能对高效储能技术的迫切需求，聚焦于超级电容器（SCs）电极材料的性能瓶颈展开。传统双电层电容器（EDLCs）依赖碳基材料，虽循环稳定但受限于导电性与孔隙可及性，导致能量密度不足；而赝电容材料虽具高理论电容，却面临导电性差、体积膨胀及结构坍塌等问题。具体而言，钴硫化物（Co₃S₄）因低导电性与循环稳定性差限制了实用化，尽管镍掺杂形成的镍钴硫化物（Ni-Co₃S₄）可改善性能，但仍需进一步提升电荷传输效率与结构稳定性。同时，现有过渡金属硫化物-导电聚合物复合材料的研究多集中于特定配比，缺乏对界面协同效应的系统性组分工程优化，尤其是Ni-Co₃S₄与聚苯胺（PANI）体系尚未得到充分探索。为此，研究人员通过组分工程策略，设计了一系列不同比例的Ni-Co₃S₄@PANI纳米杂化物，旨在揭示组分比例对协同效应及电化学性能的调控机制，为下一代高性能超级电容器提供材料基础。该研究成果发表于《Journal of Energy Storage》。

研究人员主要采用三大关键技术方法：一是水热合成法制备Ni-Co₃S₄纳米结构，通过调控前驱体反应条件实现晶体结构可控生长；二是化学氧化聚合法合成PANI，利用过硫酸铵引发苯胺单体聚合，控制聚合物分子链结构与形貌；三是物理共混策略构建纳米杂化物，通过机械混合实现两组分均匀复合，避免复杂化学反应对界面的干扰，确保组分比例精确可调。所有材料表征均基于标准测试手段，电化学性能评估采用三电极体系与两电极扣式器件测试，未涉及生物样本队列。

XRD分析

研究人员通过X射线衍射（XRD）对材料晶体结构进行表征。结果显示，纯PANI呈现半结晶特征，在2θ为14.8°、20.4°、25.3°处出现对应（011）、（020）、（200）晶面的宽峰；Ni-Co₃S₄则表现出尖晶石结构的特征衍射峰，证实其成功合成；复合后材料中两组分的衍射峰共存且无杂峰，表明物理共混未破坏原有晶体结构，实现了有效复合。

电化学分析

在三电极体系中，研究人员系统测试了不同比例样品的电化学性能。循环伏安（CV）曲线显示，Ni-Co₃S₄@PANI（5:5）的积分面积最大，表明其具有最高的电荷存储能力；恒电流充放电（GCD）测试进一步证实该比例在1 A/g下比电容达1655 F/g，优于3:7（1200 F/g）与7:3（1400 F/g）比例。电化学阻抗谱（EIS）表明，5:5比例样品的电荷转移电阻最低，离子扩散动力学最优。基于该材料组装的混合超级电容器（Ni-Co₃S₄@PANI（5:5）//AC）表现出优异的倍率性能与循环稳定性，10,000次循环后电容保持率达85%。

结论

研究人员总结指出，通过物理共混策略实现的Ni-Co₃S₄@PANI（5:5）纳米杂化物，凭借优化的组分比例形成了多孔互联结构，提供了丰富的电活性位点与高效的离子/电子传输路径，从而实现了高比电容、高能量密度与长循环寿命的协同提升。该研究证实组分工程是优化过渡金属硫化物-导电聚合物杂化物性能的有效途径，为设计下一代高性能超级电容器电极材料提供了重要指导。

CRediT作者贡献声明

Uma Bharathy R负责初稿撰写、可视化、验证、资源统筹、方法论设计、实验研究、数据分析、数据整理与概念化；Jothika B参与可视化、验证、方法论实施与实验研究；Govindaraj Rajamanickam负责稿件审阅与编辑、可视化、验证及项目监督。

利益冲突声明

研究人员声明不存在已知的可能影响本研究客观性的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到印度泰米尔纳德邦SSN工程学院的资助支持。