协同蚀刻-沉淀法合成立方Ni(OH)₂纳米笼超级电容器性能卓越

摘要

过渡金属氢氧化物经笼状架构工程化可发挥最大电化学潜能。本文报道单锅协同蚀刻-沉淀(CEP)策略，将立方Cu₂O模板转化为中空Ni(OH)₂纳米笼(NCs)。所得NCs具丰富活性位点、高孔隙率、薄而均匀壳层，利于快速电子离子传输。作正极，Ni(OH)₂ NCs/Ni泡沫在1 A g⁻¹达539.8 F g⁻¹，2000循环保持96.9%电容。搭配活性炭组装不对称超级电容器(ASC)，器件在800 W kg⁻¹达23.3 Wh kg⁻¹，比常规破碎纳米笼对应物高一个数量级。研究凸显笼状纳米结构对下一代储能材料的重要性。

背景

环境可持续性要求高性能、低碳储能。超级电容器凭借高功率密度、快速充放电、绿色化学满足需求。基于过渡金属氢氧化物的赝电容材料，特别是Ni(OH)₂，因碱性介质中可逆Ni³⁺/Ni²⁺氧化还原对而备受关注。但体相Ni(OH)₂受限于有限活性表面积和缓慢离子扩散，比电容远低于理论极限。

微纳米尺度工程Ni(OH)₂形貌提供克服限制途径。中空笼状结构最大化表面积、暴露内外侧面、创建直通离子通道，从而加速电荷传输增强循环稳定性。协同蚀刻沉淀——牺牲模板同步溶解与目标材料沉淀——已成此类架构多功能路线。

方法/实验

Cu₂O模板合成

Cu₂O立方体(~500 nm棱长)经一步水相反应制备：CuCl₂·2H₂O(0.01 M)于55 °C下搅拌于2 M NaOH中，滴加0.6 M抗坏血酸。沉淀离心、洗涤、真空干燥。

Ni(OH)₂ NCs制备

1:1水-乙醇混合液中，Cu₂O模板(400 mg)与NiCl₂·6H₂O(80–320 mg，控制Cu₂O:NiCl₂比)混合。超声10 min后加入13.2 mg PVP，滴加160 mL 1 M Na₂S₂O₃。室温搅拌3 h，离心干燥。破碎纳米笼对照(BNC)由NCs乙醇超声2 h制得。

表征

XRD(Rigaku D/Max-2400)、XPS(ESCALAB 250Xi)、FESEM(Zeiss Gemini 300)、TEM(FEI F20)、BET比表面积(Belsort-max)确认相纯度、形貌、孔隙度。

电化学测试

所有测量于3 M KOH三电极池(Pt对电极、Ag/AgCl参比电极)进行。工作电极含80% Ni(OH)₂、15%乙炔黑、5% PTFE于Ni泡沫(1 cm²)，载量3.4 mg cm⁻²。Autolab μIII系统进行循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)、电化学阻抗谱(EIS, 0.01–100 kHz)。ASC器件以Ni(OH)₂ NCs/NF为正极、活性炭(AC)/NF为负极，纤维素纸隔膜，浸3 M KOH组装。