纳米复合材料科研训练：硫化镍铜/聚苯胺复合电极的制备与性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240327

摘要/Abstract

摘要：

以超级电容器电极材料教学为切入点，针对传统过渡金属硫化物在高电流密度下电化学性能受限的问题，将水热合成与电化学沉积相结合的前沿技术融入教学实践，设计了硫化镍铜/聚苯胺（Ni₁₇CuS₂₀/PANI）纳米复合电极的制备实验，该实验与基础实验教学内容相比属于高阶性的科研训练内容。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、恒电流充放电测试（GCD）、循环伏安测试（CV）和交流阻抗测试（EIS）等手段，引导学生分析材料的形貌、元素组成及电化学性能，深入理解材料的结构-性能关系。实验结果表明，Ni₁₇CuS₂₀/PANI的三维交联结构与PANI的协同作用显著提升了电荷传输效率和电解液的可及性，从而改善了材料的循环稳定性和比容量。基于该复合材料构建的柔性不对称超级电容器展现了在311.54 W/kg功率密度下实现23.78 Wh/kg的高能量密度，验证了其在实际应用中的潜力。该科研训练实验不仅突出材料科学的前沿性，强调实验教学的多学科交叉性，还构建了“理论-制备-表征-应用”的完整教学体系。通过此类高阶性的科研训练，学生能够全面掌握材料合成、性能测试、数据分析与创新设计等技能，培养科研思维与工程实践能力，为新能源器件课程的实验教学改革提供了新的思路与方法。

关键词: 硫化镍铜, 聚苯胺, 纳米复合材料, 超级电容器, 实验教学改革

Abstract:

Taking supercapacitor electrode materials as the teaching entry point， this approach addresses the limitations of traditional transition metal sulfides in high-current-density electrochemical performance. By integrating cutting-edge techniques， combining hydrothermal synthesis with electrochemical deposition into teaching practice， an experimental design for preparing nickel-copper sulfide/polyaniline （Ni₁₇CuS₂₀/PANI） nanocomposite electrodes was developed. Compared to foundational experimental teaching content， this experiment represents advanced research training. Through scanning electron microscopy （SEM）， X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）， and techniques such as constant current charge-discharge testing （GCD）， cyclic voltammetry （CV）， and electrochemical impedance spectroscopy （EIS）， students are guided to analyze the material’s morphology， elemental composition， and electrochemical performance， gaining a deeper understanding of the structure-property relationship. Experimental results demonstrate that the synergistic interaction between the three-dimensional crosslinked structure of Ni₁₇CuS₂₀/PANI and PANI significantly enhances charge transport efficiency and electrolyte accessibility， thereby improving the material’s cycling stability and specific capacity. The flexible asymmetric supercapacitor constructed from this composite material exhibits a high energy density of 23.78 Wh/kg at a power density of 311.54 W/kg， validating its potential for practical applications. This research training experiment not only highlights the cutting-edge nature of materials science but also emphasizes the multidisciplinary nature of experimental teaching. Furthermore， it establishes a comprehensive teaching system encompassing “theory-preparation-characterization-application.” Through such advanced research training， students can comprehensively master skills in material synthesis， performance testing， data analysis， and innovative design， cultivating scientific thinking and engineering practice capabilities. This provides new insights and methodologies for experimental teaching reform in new energy device courses.

Key words: Nickel copper sulfide, Polyaniline, Nanocomposite, Supercapacitor, Experimental teaching reform

中图分类号:

O614.8

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图/表 7

图1 （A） Ni17CuS20/PANI的制备流程示意图；（B）碳布的实物照片；（C） Ni17CuS20材料和（D） Ni17CuS20/PANI复合材料的静态接触角测试结果

Fig.1 （A） Schematic illustration of the formation processes of Ni17CuS20/PANI nanostructures on the carbon cloth；（B） Optical image of carbon cloth （CC）； Static contact angle measurements for （C） Ni17CuS20 and （D） Ni17CuS20/PANI

图2 （A）碳布的SEM图像；（B） NiCu（CO3）（OH）2、（C） Ni17CuS20和（D） Ni17CuS20/PANI复合材料在碳布上的SEM图像；（E） Ni17CuS20/PANI复合材料的元素分布图

Fig.2 SEM images of CC （A）； SEM images of （B） NiCu（CO3）（OH）2，（C） Ni17CuS20 nanosheets and （D） Ni17CuS20/PANI；（E） Elemental mapping images of Ni17CuS20/PANI

图3 （A） C1s、（B） O1s、（C） Ni2p、（D） Cu2p、（E） S2p和（F） N1s在Ni17CuS20/PANI复合材料中的X射线光电子能谱（XPS）分析结果

Fig.3 XPS spectra of （A） C1s，（B） O1s，（C） Ni2p，（D） Cu2p，（E） S2p and （F） N1s for Ni17CuS20/PANI

图4 （A） NiCu（CO3）（OH）2、Ni17CuS20和Ni17CuS20/PANI在50 mV/s下的CV曲线； Ni17CuS20/PANI在不同扫描速率下的（B） CV曲线和（C） GCD曲线；（D）不同电流密度下的比电容；（E） NiCu（CO3）（OH）2、Ni17CuS20和Ni17CuS20/PANI的EIS谱；（F） Ni17CuS20/PANI的能量存储机理图

Fig.4 （A） CV curves of NiCu（CO3）（OH）2， Ni17CuS20 and Ni17CuS20/PANI at 50 mV/s；（B） CV curves and （C） GCD curves of Ni17CuS20/PANI at different scan rates and current densities， respectively；（D） Corresponding specific capacitances at different current densities；（E） EIS spectrum of NiCu（CO3）（OH）2， Ni17CuS20 and Ni17CuS20/PANI；（F） Energy storage characteristics of Ni17CuS20/PANI

图5 （A） Ni17CuS20/PANI//AC ASC构型示意图；（B） AC与Ni17CuS20/PANI在50 mV/s扫描速率下的CV曲线； ASC在（C）不同电位窗口和（D）不同扫描速率下的CV曲线；（E） ASC在不同电流密度条件下的GCD曲线；（F）不同电流密度条件下的特定电容；（G） Ni17CuS20/PANI在ASC中组装时，扫描速率的平方根与阴极及阳极峰电流的关系；（H） ASC在5 A/g的电流密度下的循环性能图；（I） ASC的Ragone图（能量密度与功率密度的关系）

Fig.5 （A） Schematic illustration of the Ni17CuS20/PANI//AC ASC configuration；（B） CV curves of AC and Ni17CuS20/PANI at a scan rate of 50 mV/s； CV curves of the ASC at different （C） potential windows and （D） scan rates；（E） GCD curves of the ASC at different current densities；（F） Corresponding speci?c capacitances at different current densities；（G） Relationship between the square root of scan rate and the cathodic and anodic peak currents of Ni17CuS20/PANI assembled in ASC；（H） Cycling performance of the ASC at a current density of 5 A/g for 5000 cycles；（I） Ragone plot （energy density vs. power density） of the ASC

图6 单器件与串联器件的（A）CV曲线和（B）恒流充放电（GCD）曲线

Fig.6 （A） CV and （B） GCD curves of two AS devices connected in series

表1 教学实验课时安排

Table 1 Teaching and experimentation schedule

教学环节	实验的具体内容及学时数（h）	总学时数/h
教师讲解	1.新能源器件发展趋势与超级电容器原理（0.1 h） 2.纳米复合材料设计策略与协同效应（0.2 h） 3.水热合成与电化学沉积技术原理（0.2 h）	0.5
学生实验操作	1.NiCu（CO₃）（OH）₂纳米材料制备（6.0 h） 2.Ni₁₇CuS₂₀纳米材料制备（4.0 h） 3.PANI电化学沉积（1.0 h）	11.0
教师演示与分析	1.SEM、XPS表征技术操作示范（1.0 h） 2.电化学工作站数据分析（1.0 h）	2.0
结果讨论与总结	1.形貌与结构分析（1.0 h） 2.电化学性能对比与机理讨论（1.0 h） 3.柔性器件设计与应用展望（0.5 h）	2.5

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