用于高效氢气析出反应的互连二氧化锡/氧化锌异相薄膜

《Materials Characterization》：Interconnected tin dioxide/zinc oxide heterophase film for an efficient hydrogen evolution reaction

钠离子电容器中NNMO电极在混合电解质中的性能研究。采用固相法制备P2型Na0.67Ni0.33Mn0.67O2材料，在1M Na2SO4和KOH混合电解质中实现比电容598.5F g-1，最高能量密度332.5Wh kg-1，功率密度46598.7W kg-1，循环5000次后保持率76.5%。证实混合电解质体系有效提升材料导电性和电荷动力学

　　钠离子电容器作为一种新兴的储能技术，近年来因其高能量密度、优异的功率密度以及成本效益而受到广泛关注。相较于传统的锂离子电池和超级电容器，钠离子电容器在大规模储能应用中展现出更大的潜力，尤其是在资源丰富性和环境友好性方面。然而，尽管钠离子电容器在理论性能上具有优势，其实际应用仍面临一些挑战，如较低的电荷传输速率和较差的循环稳定性。因此，寻找高性能的电极材料以及优化电解液体系成为提升钠离子电容器性能的关键。

在本研究中，科学家们聚焦于一种名为NNMO（Na_0.67Ni_0.33Mn_0.67O₂）的层状过渡金属氧化物。这种材料因其独特的晶体结构、简便的制造工艺以及较高的工作电压而被认为是钠离子储能的理想电极材料之一。然而，其实际应用受限于较低的电荷动力学性能和较差的循环稳定性。为了解决这些问题，研究团队通过固相法合成了NNMO，并进一步通过煅烧工艺优化其结构。最终，他们发现NNMO在混合电解液体系中表现出显著的电化学性能提升。

实验结果显示，在混合电解液（1M Na₂SO₄ + 0.5M KOH）环境下，NNMO电极的比电容达到了598.5 F g^-1，在26.6 A g^-1的电流密度下仍能保持较高的电荷存储能力。这一数值远高于传统电极材料的表现，表明NNMO在高电流密度下具有出色的率性能。同时，研究团队还评估了NNMO电极的最高能量密度和功率密度，分别为332.5 Wh kg^-1和46598.7 W kg^-1。这些数据进一步验证了NNMO作为钠离子电容器电极材料的优越性。

为了进一步验证NNMO的实际应用价值，研究团队构建了一个由NNMO作为正极、活性炭（AC）作为负极组成的钠离子电容器，并在混合电解液体系中测试其性能。结果表明，该电容器的比电容为176.8 F g^-1，能量密度为55.25 Wh kg^-1，功率密度为4500 W kg^-1。值得注意的是，在5000次循环后，其电容保持率仍高达76.5%，这表明NNMO电极材料在长期使用中具有良好的循环稳定性。这一成果为钠离子电容器在电网级储能系统中的应用提供了有力的支持。

在研究过程中，科学家们还关注了NNMO电极材料的结构特性及其对电化学性能的影响。通过热重分析（TGA）研究了NNMO的热行为，发现其在16-101°C范围内因水分蒸发而发生第一次质量损失，而在270-800°C范围内因碳酸盐分解而发生第二次质量损失。在800-1000°C之间，材料质量保持稳定，这表明其在高温煅烧过程中形成了稳定的晶体结构。此外，研究团队还探讨了NNMO电极材料在混合电解液体系中的电化学行为，发现其具有良好的赝电容特性，这与Ni²⁺/Ni³⁺和Mn³⁺/Mn⁴⁺的可逆氧化还原反应密切相关。

在实际应用中，电解液的选择对钠离子电容器的性能具有决定性影响。传统单一电解液体系虽然具有一定的优势，但往往存在电荷传输速率低、循环稳定性差等问题。而混合电解液体系则能够有效克服这些局限，通过优化离子传输路径和降低电解液粘度，提高电容器的功率密度和能量密度。例如，研究团队发现，在混合电解液体系中，NNMO电极材料的电荷传输速率显著提升，这为实现高功率密度的钠离子电容器提供了新的思路。

此外，研究还指出，NNMO电极材料在混合电解液体系中的稳定性与其晶体结构密切相关。层状P2型氧化物在钠离子嵌入和脱出过程中表现出较高的结构稳定性，这有助于减少材料在循环过程中的结构损伤，从而延长其使用寿命。然而，长期循环仍可能导致部分结构变化，因此，进一步研究材料的结构演变规律以及如何通过表面改性或掺杂技术提高其稳定性，将是未来研究的重要方向。

研究团队还强调了NNMO材料在钠离子电容器中的独特优势。相较于传统的活性炭电极材料，NNMO不仅具有更高的比电容，还能在混合电解液体系中实现更高的能量密度和功率密度。这使得NNMO成为一种极具潜力的高性能电极材料，特别是在需要高能量和高功率输出的场景中，如电动汽车、智能电网和可再生能源系统。同时，由于钠元素在自然界中储量丰富，NNMO电极材料的使用能够有效降低钠离子电容器的生产成本，提高其经济可行性。

在实验设计方面，研究团队采用了一种系统的方法来评估NNMO电极材料的性能。首先，通过热重分析和X射线衍射等手段，对材料的合成过程和结构特性进行了深入研究。随后，利用循环伏安法（CV）、恒流充放电测试和电化学阻抗谱（EIS）等技术，对材料的电化学性能进行了全面分析。这些测试不仅验证了NNMO电极材料的高比电容和良好的循环稳定性，还揭示了其在混合电解液体系中的优越表现。

值得注意的是，研究团队在实验中还特别关注了NNMO材料在混合电解液体系中的电荷存储机制。他们发现，NNMO的高比电容与其内部Ni和Mn离子的氧化还原反应密切相关。在充放电过程中，这些离子能够参与可逆的氧化还原反应，从而实现高效的电荷存储和释放。这种机制不仅提高了电容器的能量密度，还增强了其功率密度，使其在高电流密度下仍能保持良好的性能。

为了进一步提升钠离子电容器的性能，研究团队还探讨了其他可能的电极材料和电解液体系。例如，一些研究表明，通过引入不同的电解液成分，如有机溶剂或固体电解质，可以有效提高电容器的稳定性。然而，这些方法往往伴随着较高的成本和复杂的制造工艺。相比之下，混合电解液体系在保持高性能的同时，具有更低的成本和更简单的操作流程，因此在实际应用中更具优势。

在实际应用方面，钠离子电容器因其成本低廉、资源丰富和安全性高等特点，被认为是一种理想的替代品。特别是在大规模储能领域，如智能电网和可再生能源系统，钠离子电容器能够提供稳定的能量输出，同时具备较长的使用寿命。然而，为了实现这一目标，还需要进一步优化电极材料和电解液体系，以提高其整体性能。

总的来说，本研究为钠离子电容器的发展提供了新的思路和方向。通过合成和优化NNMO电极材料，并结合混合电解液体系，研究团队成功提高了电容器的比电容、能量密度和功率密度，同时保持了良好的循环稳定性。这些成果不仅为钠离子电容器的实际应用奠定了基础，也为未来相关研究提供了重要的参考价值。随着研究的不断深入，相信钠离子电容器将在未来的能源存储领域发挥更加重要的作用。