辽宁工业大学王冰团队研究成果：一次水热法制备MnCo₂S₄及其性能研究
引言
在全球人口持续增长与能源消耗不断攀升的背景下，化石燃料的枯竭以及温室气体排放对环境造成的压力日益凸显，这使得发展可持续能源成为当务之急。尽管风能、太阳能等可再生能源展现出巨大潜力，但其受自然条件波动影响大，难以实现稳定可控的能源供应。因此，研发高效稳定的能量储存装置成为解决能源问题的关键。超级电容器凭借其高能量密度、大输出功率以及快速充放电等特性，在储能器件领域脱颖而出，成为重要的创新方向。
01、研究背景 过渡金属硫化物（TMDs）作为电极材料具有显著优势。相较于单金属化合物，双金属化合物能通过不同金属离子间的协同作用，增加活性位点数量，并提供更多价态变化，从而有效提升材料的电导率和储能效率。MnCo₂S₄作为一种双金属硫化物，具有晶体结构多样、环境友好、理论比容量高等优点，在超级电容器电极材料领域备受关注。水/溶剂热合成技术因能精确控制反应条件、制备出形貌和结构可控的材料，在化学合成领域得到广泛应用。本文以氯化钴、氯化锰和硫化钠为原料，乙二醇为溶剂，利用一次水热法合成得到MnCo₂S₄电极材料，通过改变水热温度和时间得到不同水热参数制备的MnCo₂S₄材料，采用XRD、SEM、EDS对样品结进行了表征。 02、创新亮点 （1）制备方法创新：采用一次水热法成功制备了MnCo₂S₄电极材料。该方法以乙二醇为溶剂，氯化锰、氯化钴和硫化钠为原料，通过简单的一步反应即可获得目标产物。 （2）条件优化探索：通过系统改变水热温度和时间，实现了对MnCo₂S₄结构和形貌的精准调控。研究发现，在120 ℃水热温度和8 h反应时间条件下，制备的MnCo₂S₄材料呈现出针状形貌，且分布致密均匀，展现出优异的电化学性能。 （3）器件组装验证：以优化制备的MnCo₂S₄为正极，活性炭为负极，PVA和KOH为混合凝胶电解质，成功组装了非对称结构的超级电容器。该器件表现出良好的电化学性能，验证了MnCo₂S₄作为高性能电极材料的实际应用潜力。 03、图文展示 图1 不同包覆量的XRD衍射图谱 Fig.1 XRD patterns of different coating quantities 图2 不同水热温度制备的MnCo₂S₄的高倍和低倍FE-SEM图；(a)、(b)100 ℃；(c)、(d)120 ℃ Fig. 2 High- and low-magnification FE-SEM images of MnCo₂S₄ prepared at different hydrothermal temperatures: (a), (b) 100 ℃; (c), (d) 120 ℃ 图3 (a)不同水热温度制备的MnCo₂S₄的循环伏安(CV)曲线；(b)不同扫描速率下120 ℃制备的MnCo₂S₄的循环伏安(CV)曲线 Fig.3 (a) Cyclic voltammetry (CV) curves of MnCo₂S₄ prepared at different hydrothermal temperatures; (b) cyclic voltammetry (CV) curves of MnCo₂S₄ prepared at 120 ℃ at different scan rates 图4 (a)不同水热温度制备的MnCo₂S₄的恒流充放电(GCD)曲线；(b)不同电流密度下120 ℃制备的MnCo2S4的恒流充放电(GCD)曲线 Fig.4 (a) Constant current charge/discharge (GCD) curves of MnCo₂S₄ prepared at different hydrothermal temperatures; (b) constant-current charge-discharge (GCD) curves of MnCo₂S₄ prepared at 120 ℃ at different current densities 图10不同水热时间制备的MnCo₂S₄的交流阻抗(EIS)图 Fig.10 EIS diagram of MnCo₂S₄ prepared at different hydrothermal times 图11 (a)超级电容器的循环伏安(CV)曲线; (b)超级电容器的恒电流充放电(GCD)曲线 Fig.11 (a) CV curves of supercapacitors; (b) GCD curves of supercapacitors 04、结论 (1)成功制备材料：通过水热法成功制备了不同水热参数下的MnCo₂S₄电极材料，证明了该方法在合成双金属硫化物方面的可行性。 (2)形貌与结构调控：XRD和SEM分析表明，水热温度和时间对MnCo₂S₄的晶体结构和微观形貌具有显著影响。在120 ℃、8 h条件下制备的样品，因具有针状形貌和均匀的颗粒分布，而表现出最佳的电化学性能。 (3)优异电化学性能：在1 A/g的电流密度下，MnCo₂S₄电极材料的质量比电容达到1412.3 F/g，显示出卓越的储能能力。 (4)超级电容器性能优越：组装的非对称超级电容器电容量达到76.2 F/g，在恒电流充放电测试中，电压保持率稳定在25.6%，同时具备良好的功率密度和能量密度，展现出在实际应用中的巨大潜力。 本文研究不仅为MnCo₂S₄电极材料的制备提供了新的方法，还通过条件优化和器件组装验证了其优异的电化学性能，为开发高性能超级电容器提供了重要的理论依据和实践指导。 引用本文： 文章发表于《功能材料》2025年第56卷第4期，欢迎引用本文： 冯国威,仲为礼,王冰,等.一次水热法制备MnCo₂S₄及其性能研究[J].功能材料,2025,56(4):04213-04220. Feng G W,Zhong W L,Wang B,et al.Preparation of MnCo₂S₄ by primary hydrothermal method and study of its properties[J].Journal of Functional Materials,2025,56(4):04213-04220.