氮掺杂石墨烯量子点修饰多金属氧磷化物空心纳米盒用于高性能超级电容器的突破性研究

　　本研究针对超级电容器电极材料能量密度低、循环稳定性差等关键问题，创新性地设计出Fe掺杂NiCo氧磷化物（Fe-NiCoOP）空心纳米盒与氮掺杂石墨烯量子点（NGQD）复合结构。该材料通过磷掺杂提升导电性，NGQD异质结优化电荷传输路径，空心结构促进电解质渗透，最终实现1136.5 F g?1 的比容量和78.7 Wh kg?1 的能量密度，8000次循环后容量保持率达81.6%，为高性能储能器件开发提供新思路。

　　

超级电容器作为新型储能器件，在可再生能源、智能电网和电动汽车等领域展现出巨大潜力，但其核心瓶颈在于电极材料的能量密度和循环寿命难以兼顾。传统过渡金属氧化物（TMOs）虽具有高理论容量，却受限于导电性差、活性位点少等固有缺陷；而普鲁士蓝类似物（PBA）虽具备开放框架结构，却在充放电过程中易发生结构坍塌。更棘手的是，现有改性策略往往顾此失彼——或只关注元素掺杂，或仅优化形貌结构，难以实现性能的协同提升。

针对这一系列挑战，龙门实验室的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表了一项突破性研究。他们巧妙融合三元金属掺杂、磷化改性和量子点修饰三大策略，设计出Fe-NiCo氧磷化物（Fe-NiCoOP）空心纳米盒与氮掺杂石墨烯量子点（NGQD）的复合电极材料。该研究通过液相共沉淀法制备FeNiCo-PBA前驱体，经350℃磷化处理形成空心结构，最后与NGQD复合构建异质界面。

材料合成与表征
研究采用分步法制备：首先通过调控Ni/Co/Fe比例合成立方体PBA前驱体；随后通过NaH₂
PO₂
热解实现可控磷化，形成保留立方形貌的空心Fe-NiCoOP；最终通过静电吸附将NGQD均匀锚定在纳米盒表面。X射线衍射（XRD）证实磷化过程中部分氧化物转化为磷化物，透射电镜（TEM）清晰显示20-30 nm的空腔结构和NGQD的界面结合。

电化学性能突破
得益于独特的结构设计，材料展现出三重优势：1）磷掺杂使电导率提升3个数量级，X射线光电子能谱（XPS）显示P 2p轨道与金属形成强电子耦合；2）NGQD修饰构建的异质界面将电荷转移电阻降低至0.8 Ω，显著加速反应动力学；3）空心结构使电解液渗透率提升215%，BET测试显示比表面积达189 m²
g^?1
。在1 A g^?1
电流密度下，材料比容量达1136.5 F g^?1
，较未修饰样品提高247%。

器件应用验证
组装的非对称超级电容器在功率密度800 W kg^?1
时，能量密度达78.7 Wh kg^?1
，超越多数报道的PBA基器件。更引人注目的是，经过8000次充放电循环后，容量保持率仍达81.6%，原位XRD证实空心结构有效缓冲了体积膨胀。

这项研究通过"组分调控-结构设计-界面工程"的多级协同策略，成功解决了电极材料导电性、稳定性和活性位点的矛盾问题。Fe-NiCoOP@NGQD复合材料不仅创下PBA衍生材料的性能纪录，其"空心纳米盒+量子点"的设计理念更为新型储能材料开发提供了普适性范式。该成果对推动高能量密度、长寿命超级电容器的实际应用具有重要指导价值。