基于轻木生物炭/NiCo层状双氢氧化物的高性能混合自支撑电极，用于先进超级电容器

通过电沉积法将镍钴层状双氢氧化物（NiCo-LDH）负载于巴沙木生物炭（BWB）基体上制备自支撑复合电极，利用BWB的天然多孔结构提供丰富的活性位点，并实现LDH层间距扩展。该电极在1 A g?1下比电容达1788.8 F g?1，组装成对称超级电容器能量密度70.7 Wh kg?1，功率密度3100 W kg?1，经10,000次循环后电容保持率95%。

　　

董坤|李晓|蔡青|谭远卓|郭远茹|潘青江

中国东北林业大学木质油资源利用国家重点实验室，哈尔滨，150040

摘要

为了解决通过简便且低成本的方法制造高性能超级电容器（SCs）的挑战，研究人员通过将NiCo-LDH电沉积到轻木（BWB）上，开发出一种自支撑的轻木衍生生物炭（BWB）/NiCo层状双氢氧化物（NiCo-LDH）复合电极。由于轻木的固有结构，BWB基底具有高度多孔的特性，为NiCo-LDH的负载提供了丰富的活性位点。使用SEM、TEM和XRD对制备的BWB/NiCo-LDH复合材料进行了表征。结果表明，具有纳米花状形态的NiCo-LDH均匀地锚定在BWB表面，并且通过这种合成途径实现了LDH层间距离的扩大。对BWB/NiCo-LDH的电化学性能进行了全面研究，显示出在1 A g^?1电流下具有1788.8 F g^?1的高比电容。当配置为对称超级电容器（SSC）时，BWB/NiCo-LDH器件表现出高能量密度（70.7 Wh kg^?1）和高功率密度（3100 W kg^?1）。此外，该电极在10,000次循环后仍保持95%的电容保持率，突显了其出色的长期稳定性和最小的性能衰减。

引言

随着可再生能源的快速发展，对能量存储/传输设备的需求日益增加，以实现清洁和可持续的能源应用[1]。超级电容器（SCs）因其高功率密度、快速充放电速率和长期循环稳定性[2],[3],[4]而被认为是解决这一挑战的重要设备。典型的SC由电流收集器、电解质、隔膜和活性材料组成[5]。传统上，电极是通过浆料浇铸法制造的，其中活性材料与粘合剂和导电添加剂一起涂覆在收集器上[6],[7],[8],[9]。这些添加剂在电极制备过程中不可避免地引入了额外的电阻[10]。

为了解决这些问题，提出了一种直接将活性材料整合到电流收集器上以形成无粘合剂电极的策略[11]。这种方法使电流收集器能够同时承担双重功能：1）促进活性材料向外部电路的电子传输[12]；2）为活性材料提供直接的生长基底[13]。这种方法显著降低了粘合剂引起的电阻，同时建立了收集器和活性材料之间的牢固界面粘附，从而提高了电子传输效率[14]。已经使用了多种材料作为自支撑基底，包括镍泡沫[15]、碳布[16]、MXene[17]、静电纺丝碳纳米纤维膜[18]和生物质衍生碳[19]。其中，生物质衍生碳因其可再生性和低成本而受到了广泛的研究关注。

作为一种丰富的可再生资源，木材以其定向管胞结构而著称[20]。经过碳化处理后，这些管胞转化为多孔隧道，不仅为活性材料提供了有效的基底，还促进了沿通道轴的方向性质量传输[21]。因此，木材衍生的生物炭作为一种有前景的自支撑基底，吸引了大量的研究兴趣。已经使用了各种类型的木材以及不同的加工方法来负载活性材料以制备自支撑电极。例如，使用LiCl溶液处理后，快速生长的杨木被用来制备碳化木材@MXene电极，实现了184.5 F g^?1的比电容[22]。同样，通过H?PO?磷酸化并随后加载Cu²⁺，对泡桐木衍生的碳进行了功能化处理，得到了481.2 F g^?1的比电容的电极[23]。此外，通过水热处理和煅烧后合成了RuO?/松木衍生碳复合材料，实现了326.95 F g^?1的比电容[24]。然而，这些方法通常涉及复杂的预处理步骤或使用昂贵的材料。因此，一种简便且低成本的制备方法仍然非常受欢迎。

层状双氢氧化物（LDHs）被归类为二维材料，并已广泛应用于从电催化剂[25],[26]和电池[27],[28],[29]到超级电容器[30]等多个领域。它们的独特结构由堆叠的布鲁塞特石状层组成[31]。这种结构配置赋予了独特的优势：（i）多氧化还原活性金属中心（例如Fe、Co、Ni）[32]；（ii）可调的层间距离（通常为0.7–0.8 nm），有利于快速离子传输[33]。其中，NiCo-LDH由于其多种氧化态[34]，表现出超过3000 F g^?1?1?1?1

在这项工作中，轻木生物炭（BWB）经过一步煅烧后直接用作自支撑电极的电流收集器，无需活化处理。BWB独特的孔结构促进了离子传输，而其表面的羟基为与Ni和Co离子结合提供了活性位点[38],[39]。通过电沉积方法将NiCo-LDH加载到BWB上。表征显示NiCo-LDH在BWB上均匀分布，具有超薄形态。对其电化学性能进行了全面研究，发现优化后的电极表现出显著的电化学特性，在1 A g^?1?1?1?1

材料与化学品

轻木购自福州Honglande Model有限公司；Co(NO₃)₂?6H₂O和Ni(NO₃)₂?6H₂O购自Aladdin有限公司，氢氧化钠（NaOH）和盐酸（HCl）购自天津Kemeier化学试剂有限公司。

BWB的制备

将轻木切割成1 × 1 × 0.3 cm的块状，依次用1 M NaOH和1 M HCl溶液洗涤以去除杂质，然后用去离子水冲洗至中性。干燥后，在氮气（N?）气氛下于300°C下煅烧

BWB/NiCo-LDH的结构与形态

样品的FT-IR光谱显示在图1a中。所有BWB/NiCo-LDH都表现出以3433 cm^{?1?1?1O官能团之间存在硝酸盐（NO??）基团[43]。进一步通过XRD研究了BWB/NiCo-LDH的结构}

结论

在这项研究中，通过一步煅烧过程从轻木制备了生物炭。所得的轻木衍生生物炭（BWB）直接用作电流收集器，无需任何额外的活化处理。然后将NiCo层状双氢氧化物（NiCo-LDH）电沉积到BWB上，制备了自支撑的BWB/NiCo-LDH电极。BWB/NiCo-LDH电极在1 A g^?1?1

CRediT作者贡献声明

董坤：撰写——原始草稿，研究。李晓：撰写——原始草稿，研究，数据管理。蔡青：研究。谭远卓：方法学，研究。郭远茹：撰写——审稿与编辑，监督，概念化。潘青江：撰写——审稿与编辑，监督，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22276046）和黑龙江省自然科学基金（PL2025B028）的支持。感谢东北林业大学分析测试中心提供的SEM测试支持。