通过 ZIF-67 模板将分级共价 Co–Ni 氢氧化物与碳纳米管整合以实现高性能超级电容器

为何更好的能量存储至关重要

从电动汽车到家庭备用电源，我们越来越依赖能够快速、安全并长期存储能量的设备。超级电容器就是这样的一项技术：它们可以在数秒内充放电，并能经受数十万次循环。然而，现有的超级电容器在实际应用中仍然难以存储足够的能量。本研究探索了一种构建超级电容器内部微结构材料的新方法，目标是提高能量密度、加快充电速度并延长重复使用寿命。

用于快速供电的构件

任何超级电容器的核心是其电极——与液态或凝胶电解液接触并实际存储电荷的材料。研究人员将注意力集中在结合三种不同成分上，每种成分各自提供有益特性。首先是钴镍层状双氢氧化物（LDH），其呈薄片状，富含可通过快速氧化还原反应暂时储存电荷的化学位点。但单独使用时，这些薄片的导电性较差且离子通过速度有限。第二种是碳纳米管，微小的空心碳筒，提供优异的电导通道和机械强度。第三种是一种多孔晶体 ZIF-67，它既可作为模板或支架塑形最终材料，又能显著增加内部比表面积。

温和路线构筑复杂结构

研究团队没有采用可能损伤精细框架的高温处理，而是设计了一种低温溶液法来组装这些成分。首先对商业碳纳米管进行酸处理，使其表面带有能够锚定金属氢氧化物薄片的化学基团。随后直接在纳米管上生长钴镍氢氧化物，形成围绕碳网络相互交织的超薄纳米片。在最后一步中引入 ZIF-67 晶体，它既作为钴源又作为牺牲性模具，引导进一步生长。在此过程中，大部分 ZIF-67 被逐步消耗，留下一个高度多孔的分级网络，其中纳米管、金属氢氧化物薄片和原始框架的残余物被紧密整合在一起。

观察新材料的内部

为确认所制备的结构，作者们使用了一系列结构和表面敏感的表征手段。X 射线衍射表明层状氢氧化物和 ZIF-67 的晶体结构已成功并入复合材料并保持稳定，即使加入更多碳纳米管也未破坏。电子显微镜图像显示超薄片覆盖并悬垂于纳米管束之间，且间隙中嵌有小的晶体颗粒——这证明形成了紧密混合的网络。气体吸附测量表明，最佳样品，尤其是同时含有纳米管和 ZIF-67 的样品，具有极高的内表面积和良好平衡的小孔与中孔分布。这些孔隙像一系列微小通道，使电解液离子能够快速到达活性位点，同时提供大量用于存储电荷的表面。

从结构到性能

真正的考验是这些材料作为超级电容器电极时的表现。在电化学测试中，仅仅将碳纳米管加入钴镍氢氧化物就大幅提升了其储能能力并保持在高充放电速率下的性能。最佳的纳米管基样品在适度电流下达到了 870 法拉每克的比电容，并在十倍电流下仍然保持该数值的 85%，表明充放电非常迅速。当设计中包含 ZIF-67 时，性能进一步提升。最优复合材料 CNCZ30 的比电容约为 903 法拉每克，并在高电流下保持 72% 的电容。它还表现出极低的电荷传输电阻，并在 7000 次充放电循环后保持了 96.6% 的初始电容，显示出优异的长期稳定性。

对未来器件的意义

对非专业读者而言，关键结论是：通过精心排列不同的纳米级成分，可以制备既快速又耐用的电极。在这项工作中，碳纳米管像电子的高速公路，钴镍氢氧化物薄片提供丰富的储电位点，而来源于 ZIF 的框架则打开了供离子穿行的广阔内部空间。三者协同产生了一种“导电‑氧化还原”效应，弥补了单一成分的不足。尽管这些材料仍处于实验室阶段，其高容量、优良的倍率性能与长寿命表明，它们有望为便携电子、 电动交通及电网级备用等未来需要快速充电和大功率输出的能量存储设备提供支持。

引用: Gohr, M.S., Rafea, M.A., Wazeer, W. et al. Hierarchical Co–Ni hydroxides integrated with carbon nanotubes via ZIF-67 templates for high-performance supercapacitors. Sci Rep 16, 14226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42472-5

关键词: 超级电容器, 纳米复合材料, 碳纳米管, 能量存储, 电极材料