编辑推荐：
本研究通过溶胶-水热法制备了CuMn?O?/Ni-MOF复合材料，经XRD、FT-IR等分析证实其结构稳定。该复合材料在1 A g?1电流密度下表现出712 F g?1的高比电容和91%的循环稳定性（5000次循环）。组装为不对称超级电容器（AASC）后，系统在1 A g?1下实现64 Wh kg?1能量密度和800 W kg?1功率密度，成功驱动LED，验证其实际应用价值。
阿比纳什·库马拉拉杰（Abinash Kumararaj）| 卡玛拉·巴拉蒂·卡鲁帕南（Kamala Bharathi Karuppanan）| 格塔·阿鲁纳查拉姆（Geetha Arunachalam）
印度泰米尔纳德邦切恩加尔帕图（Chengalpattu）卡坦库拉图尔（Kattankulathur）的SRM科学技术学院（SRM Institute of Science and Technology）工程与技术学院物理与纳米技术系，邮编603 203
摘要
将尖晶石氧化物与金属有机框架（MOFs）结合，为克服传统超级电容器电极的局限性提供了有前景的途径，通过增强离子传输、氧化还原活性和结构稳定性来实现这一目标。在本研究中，通过溶剂热法成功合成了CuMn2O4/Ni-MOF复合材料，并通过XRD、FT-IR、HR-SEM和XPS分析确认了其结构和化学组成。CuMn2O4与Ni-MOF之间的协同作用显著提升了储电能力，使得该复合材料在1 A g?1电流密度下具有712 F g?1的较高比电容，并且在5000次循环后仍保持91%的优异循环稳定性。循环后的XRD和HR-SEM进一步证明了材料的结构稳定性。当这种复合材料与活性炭组装成水基非对称超级电容器（AASC）时，该设备在1 A g?1?1?1?12O4/Ni-MOF复合材料提供了一种协同作用的结构，能够实现高性能、耐用且实用的能量存储设备。
引言
新技术的进步依赖于技术创新、能源效率的提升以及温室气体排放的减少[1]、[2]。预计储能系统将成为来自太阳和风能的可再生能源以及电动汽车的基本电源组件，同时实现最低的CO2排放[3]。近年来，包括电池和超级电容器在内的电化学储能设备对能源领域产生了重大影响。与电池相比，超级电容器因其长期耐用性、操作安全性和环境可持续性而更具吸引力[4]、[5]。作为储能家族的重要组成部分，超级电容器能够以非常高的速率存储和释放能量，可以弥补传统电容器、电池和燃料电池之间的功率/能量差距[6]。根据工作原理的不同，超级电容器可分为电双层电容器（EDLCs）和伪电容器：EDLCs通过离子在电极上的物理吸附来储存能量，而伪电容器则依赖于电极内的可逆氧化还原反应[7]。影响超级电容器性能的主要因素包括电位窗口、比电容、生命周期、能量密度和功率密度。特别是非对称超级电容器（ASCs），由于其卓越的性能而成为一种有前景的选择。与对称超级电容器相比，采用不同正负极材料的ASCs显著提高了比电容和能量密度[8]。此外，利用正负极不同的电位窗口，ASCs的工作电压范围得到了显著扩展[9]。它们能够提供更长的循环寿命、更高的能量密度和更强的功率密度，适用于多种应用场景[10]。
近年来，金属有机框架（MOFs），也称为配位聚合物，在化学和材料科学领域吸引了众多研究人员的关注。这些材料通过作为纳米结构材料的“节点间隔剂”来开发[11]。含有金属中心的MOFs通过咪唑环或羧酸基团等有机连接剂连接在一起，形成结晶度高、长度较长且通常具有多孔性的结构[12]。MOFs及其衍生物因其独特的纳米结构而受到重视，并被严格研究作为下一代电极的潜在材料。它们具有较大的比表面积、高孔隙率、化学可调性以及相互连接的通道等优良特性[13]。然而，单个MOFs存在电子导电性低和不稳定等挑战，限制了其实际应用[14]。为克服这些问题，研究人员开发了具有多样化结构的纳米复合材料以提升性能和适用性[15]。
由于金属氧化物具有优越的结构特性和电化学性能，它们作为超级电容器电极受到了越来越多的关注。同时，金属氧化物还可以弥补碳材料的容量不足问题并改善循环稳定性[16]。过渡金属氧化物（TMOs）中的双金属尖晶石氧化物的整体结构为AB2O4，其中A和B元素分别处于四面体和八面体位置，带有+2和+3的电荷。基于锰的低毒性、高可用性、多种价态和成本效益，基于锰的二元氧化物被广泛研究作为重要的电极材料[17]、[18]。锰氧化物具有多种氧化态，增强了其电化学性能和出色的循环稳定性[19]。当铜取代Mn3O4尖晶石结构中的锰离子时，形成的CuMn2O4表现出混合尖晶石结构，其中正离子同时占据四面体和八面体位点[20]。CuMn2O4的优异伪电容性能可归因于铜的较高氧化电位和锰的强电子传输能力[21]。
目前的研究主要集中在单个尖晶石氧化物和MOFs上，旨在优化它们的内在性质[22]、[23]。然而，最近的研究尝试将金属氧化物与MOFs结合，但许多方法仅依赖于简单的物理混合或表面涂层，导致界面接触不足，电化学性能提升有限[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。目前文献中尚未有关于CuMn2O4/Ni-MOF纳米复合超级电容器电化学性能的报道。在本研究中，我们采用溶剂热法制备了CuMn2O4/Ni-MOF复合材料，将混合尖晶石CuMn2O4纳米结构均匀整合到Ni-MOF网络中，实现了强烈的协同效应。导电CuMn2O4纳米片在Ni-MOF中的嵌入增强了电子迁移率。CuMn2O4/Ni-MOF界面处的稳健界面相互作用形成了有效的电子传输路径。Ni-MOF（主要为Ni2+/Ni3+过渡态）和CuMn2O4（富含多价铜离子Cu2+/Cu+/Mn3+/Mn4+）的结合产生了许多活跃的氧化还原位点，共同提升了比电容和能量密度。这种结构设计增强了电子/离子传输，稳定了电极在循环过程中的性能，并提供了更多可用的氧化还原位点，从而实现了更优的电化学性能。所有样品的电化学性能均在室温下通过三电极装置进行测试。有趣的是，在2.0 M KOH电解液中，CuMn2O4/Ni-MOF纳米复合材料的比电容（Cs）达到712 F g?1（电流密度为1 A g?12O4/Ni-MOF纳米复合材料可用于多种电化学应用。本文讨论并报告了其结构和电化学性质。
化学物质与材料
六水合硝酸铜(II)（Cu(NO3)2.3H2）、六水合硝酸锰(III)（Mn(NO3)3.6H2）、六水合氯化镍(II)（NiCl2.6H2）、对苯二甲酸（C6H4(CO2H)2）、氢氧化钾（KOH）、聚乙烯醇（PVA）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、炭黑、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和乙醇均购自Sigma Aldrich Chemical Reagent Co. Ltd.和Siscon Research Laboratories Private Limited。
CuMn2O4的制备
首先，按摩尔比溶解Cu(NO3)2.6H2和Mn(NO3)2.6H2
结果与讨论
通过X射线衍射（XRD）（图2(a)）确认了纯CuMn2O4、Ni-MOF和CuMn2O4/Ni-MOF复合材料的结构特征。XRD图谱显示这两种材料均无杂质，并证实了CuMn2O4具有立方结构（Fd3m空间群），这与JCPDS卡片编号01-074-2422的结果一致。Ni-MOF的XRD峰分别位于8.3°、14.8°、15.7°和16.9°处
结论
总之，本研究成功证明了通过溶剂热法制备的CuMn2O4/Ni-MOF复合材料是一种高性能电极材料，具有出色的电化学性能。在三电极系统中，该复合材料表现出712 F g?1s）和91%的循环稳定性（5000次循环后）。此外，在非对称超级电容器中，该材料还展示了64 Wh kg?1?1
CRediT作者贡献声明
阿比纳什·库马拉拉杰（Abinash Kumararaj）：负责撰写初稿、方法设计、数据分析及概念构思。卡玛拉·巴拉蒂·卡鲁帕南（Kamala Bharathi Karuppanan）：负责审稿与编辑。格塔·阿鲁纳查拉姆（Geetha Arunachalam）：负责审稿与编辑、监督及数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢SRM科学技术学院（SRM Institute of Science and Technology，地址：Kattankulathur-603203）、SRMIST研究办公室（Directorate of Research, SRMIST）提供的博士研究奖学金资助，以及物理与纳米技术系提供的基础设施和电化学仪器。同时，我们也感谢PNCF（物理与纳米技术表征设施）、SCIF（SRM中央仪器设施）和NRC（纳米技术研究中心）的支持。
