浓度调控对NiCo2S4/石墨烯气凝胶电化学性能的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.xb2026.0012

摘要/Abstract

摘要： 本研究采用水热法，通过调控镍钴盐等原料的比例，制备出具有自支撑结构的镍钴硫化物/石墨烯气凝胶（NiCo₂S₄/GA）复合材料。运用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等表征技术及电化学工作站对复合材料的结构、微观形貌和电化学性能展开研究。结果表明，在反应物摩尔浓度比为1∶1的样品（NiCo₂S₄/GA-1∶1）中，NiCo₂S₄纳米颗粒呈现高密度均匀负载状态且无团聚现象，面积比电阻为1.99 Ω·cm²；在2 A·g^-1的电流密度下循环1 500次后，电容保持率为70.1%。电化学动力学分析表明，NiCo₂S₄/GA-1∶1复合电极表现为由扩散效应主导的赝电容行为，这主要得益于石墨烯气凝胶的多孔结构，以及石墨烯片层在储能过程中对NiCo₂S₄电容效应的优化作用，使二者之间产生了协同效应。因此，NiCo₂S₄/GA-1∶1复合材料作为超级电容器电极材料具有较大的应用潜力。

关键词: NiCo₂S₄/GA复合材料; 水热法; 自支撑结构; 反应物摩尔浓度; 纳米颗粒; 协同效应

Abstract: In this study，the nickel cobalt sulfide/graphene aerogel （NiCo₂S₄/GA） composites with a self-supporting structure were successfully prepared by a hydrothermal method through adjusting the ratio of raw materials such as nickel cobalt salts. The structure，micromorphology and electrochemical properties of the composites were comprehensively investigated by X-ray diffraction （XRD），scanning electron microscopy （SEM） and other characterization techniques，together with an electrochemical workstation. The results show that in the sample （NiCo₂S₄/GA-1∶1） with a reactant molar concentration ratio of 1∶1，NiCo₂S₄ nanoparticles are loaded uniformly with high density without agglomeration，the area-specific resistance is 1.99 Ω·cm². The capacitance retention rate reaches 70.1% after 1 500 cycles at a current density of 2 A·g^-1. Electrochemical kinetic analysis reveals that the NiCo₂S₄/GA-1∶1 composite electrode exhibits pseudocapacitive behavior dominated by diffusion effects. This phenomenon is mainly attributed to the porous structure of graphene aerogel，as well as the optimization of graphene nanosheets on the capacitive performance of NiCo₂S₄ during the energy storage process，which thus endows the composite with a distinct synergistic effect. Thus，NiCo₂S₄/GA-1∶1 composite has great application potential as electrode material for supercapacitors.

Key words: NiCo₂S₄/GA composite; hydrothermal method; self-supporting structure; reactant molar concentration; nanoparticles; synergistic effect

中图分类号:

TQ427

李博霞, 王晓敏. 浓度调控对NiCo₂S₄/石墨烯气凝胶电化学性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(6): 972-980.

LI Boxia, WANG Xiaomin. Effect of Concentration Regulation on Electrochemical Properties of NiCo₂S₄/Graphene Aerogel Composites[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(6): 972-980.

图/表 12

表1 NiCo2S4/GA复合材料制备体系中各反应物的浓度配比

Table 1 Concentration ratio of reactants in preparation system of NiCo2S4/GA composites

Sample	Amount of substance/mmol
Sample	NiCl₂·6H₂O	CoCl₂·6H₂O	CH₄N₂S	HMT
NiCo₂S₄/GA-3∶1	1.5	3.0	7.5	6.6
NiCo₂S₄/GA-2∶1	1.0	2.0	5.0	4.4
NiCo₂S₄/GA-1∶1	0.5	1.0	2.5	2.2

图1 制备NiCo2S4/GA复合材料示意图

Fig.1 Schematic diagram of preparing NiCo2S4/GA composites

图2 GA的SEM照片（a）和氮气吸附-脱附曲线（b）

Fig.2 SEM image（a） and nitrogen adsorption-desorption curve（b） of GA

图3 NiCo2S4/GA复合材料的SEM照片

Fig.3 SEM images of NiCo2S4/GA composites

图4 NiCo2S4/GA-1∶1复合材料的SEM照片、元素面分布和EDS

Fig.4 SEM image，elemental surface distribution and EDS of NiCo2S4/GA-1∶1 composite

图5 NiCo2S4/GA复合材料的GCD曲线（a）和电流密度-比电容曲线（b）

Fig.5 GCD curves （a） and current density-specific capacitance curves （b） of NiCo2S4/GA composites

图6 NiCo2S4/GA复合材料的Nyquist图

Fig.6 Nyquist plots of NiCo2S4/GA composites

图7 NiCo2S4/GA-1∶1复合材料的CV曲线（a）和GCD曲线（b）

Fig.7 CV curves （a） and GCD curves （b） of NiCo2S4/GA-1∶1 composite

图8 NiCo2S4/GA-1∶1复合材料在电流密度为2 A·g-1下的循环曲线

Fig.8 Cycling curve of NiCo2S4/GA-1∶1 composite at a current density of 2 A·g-1

图9 NiCo2S4/GA-1∶1复合材料电化学动力学。（a）log（i）-log（v）曲线；（b）不同扫描速率下的电容控制和扩散控制过程的电荷贡献占比

Fig.9 Electrochemical kinetics of NiCo2S4/GA-1∶1 composite. （a） log（i）-log（v） curves；（b） charge contribution ratios in capacitive and diffusion-controlled processes at different scan rates

图10 NiCo2S4/GA复合材料的XRD图谱

Fig.10 XRD patterns of NiCo2S4/GA composites

图11 NiCo2S4/GA-1∶1复合材料的FTIR光谱

Fig.11 FTIR spectrum of NiCo2S4/GA-1∶1 composite

参考文献 20

[1]	YU Z N， TETARD L， ZHAI L， et al. Supercapacitor electrode materials： nanostructures from 0 to 3 dimensions［J］. Energy & Environmental Science， 2015， 8（3）： 702-730.
[2]	杨紫博，杨丽霞，王林玉，等. 多形貌可控ACF/NiCo₂S₄电极材料的绿色制备及其电容性能研究［J］. 广州化工， 2025， 53（12）： 28-31.
	YANG Z B， YANG L X， WANG L Y， et al. Preparation of morphologies controlled ACF/NiCo₂S₄ by room temperature vulcanization and its capacitor performance［J］. Guangzhou Chemical Industry， 2025， 53（12）： 28-31 （in Chinese）.
[3]	YUAN K， GAO T J， YANG Y， et al. Template sacrificial controlled synthesis of hierarchical nanoporous carbon@NiCo₂S₄ microspheres for high-performance hybrid supercapacitors［J］. Rare Metals， 2023， 42（8）： 2643-2657.
[4]	YAO P J， LI W Y， KE B Y， et al. 3D printing of serrated NiCo₂S₄-based electrodes for wearable micro-supercapacitors［J］. Science China Materials， 2024， 67（6）： 1956-1964.
[5]	张　曼，王盈雪，韩继续，等. 蜂窝结构NiCo₂S₄@MnO₂电极材料的制备及储能效果研究［J］. 化工新型材料， 2024， 52（10）： 78-82.
	ZHANG M， WANG Y X， HAN J X， et al. Preparation and energy storage performance study of honeycomb structured NiCo₂S₄@MnO₂ electrode material［J］. New Chemical Materials， 2024， 52（10）： 78-82 （in Chinese）.
[6]	史桂梅，白文斌. 核壳NiCo₂S₄@C超级电容器电极材料的制备及性能［J］. 沈阳师范大学学报（自然科学版）， 2025， 43（4）： 283-289.
	SHI G M， BAI W B. Preparation and performance for core-shell NiCo₂S₄@C supercapacitor electrode materials［J］. Journal of Shenyang Normal University （Natural Science Edition）， 2025， 43（4）： 283-289 （in Chinese）.
[7]	陈俞霖，张　曼. NiCo₂S₄@C-N花状电极材料的制备及其在超级电容器中的应用［J］. 浙江化工， 2025， 56（1）： 6-13.
	CHEN Y L， ZHANG M. Preparation of NiCo₂S₄@C-N flower-like electrode materials and their application in supercapacitors［J］. Zhejiang Chemical Industry， 2025， 56（1）： 6-13 （in Chinese）.
[8]	YANG J J， GONG X B， SU T Y， et al. Three-dimensional phloretin-functionalized graphene aerogel for high-performance supercapacitors and phase change materials［J］. 2D Materials， 2025， 12（2）： 025014.
[9]	王艳坤，张建民，王一帆. 三维SnO₂/石墨烯气凝胶的自组装制备及其电容性能［J］. 化学研究与应用， 2025， 37（12）： 3760-3769.
	WANG Y K， ZHANG J M， WANG Y F. Fabrication of 3D SnO₂/graphene aerogels via self-assembly for supercapacitor［J］. Chemical Research and Application， 2025， 37（12）： 3760-3769 （in Chinese）.
[10]	GONG X B， ZHANG X F， WANG D S， et al. Three-dimensional graphene aerogel materials for supercapacitors： strategies and mechanisms［J］. Energy & Environmental Materials， 2025， 8（6）： e70054.
[11]	CHEN J， YAO B W， LI C， et al. An improved Hummers method for eco-friendly synthesis of graphene oxide［J］. Carbon， 2013， 64： 225-229.
[12]	WANG Y， CHEN L， ZHANG J F， et al. Confined synthesis of well-dispersed NiCo₂S₄ nanowires on nitrogen-doped reduced graphene oxide aerogel for efficient electrocatalytic overall water splitting［J］. Journal of Electroanalytical Chemistry， 2022， 927： 116969.
[13]	GUO R， DANG L Q， LIU Z H， et al. Incorporation of electroactive NiCo₂S₄ and Fe₂O₃ into graphene aerogel for high-energy asymmetric supercapacitor［J］. Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects， 2020， 602： 125110.
[14]	CAI D P， WANG D D， WANG C X， et al. Construction of desirable NiCo₂S₄ nanotube arrays on nickel foam substrate for pseudocapacitors with enhanced performance［J］. Electrochimica Acta， 2015， 151： 35-41.
[15]	TIAN Z， WANG X M， LI B X， et al. High rate capability electrode constructed by anchoring CuCo₂S₄ on graphene aerogel skeleton toward quasi-solid-state supercapacitor［J］. Electrochimica Acta， 2019， 298： 321-329.
[16]	WANG X H， SHI B， HUANG F F， et al. Fabrication of hierarchical NiCo₂O₄@NiCo₂S₄ core/shell nanowire arrays by an ion-exchange route and application to asymmetric supercapacitors［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2018， 767： 232-240.
[17]	龙　升，刘　依，邹　攀，等. 球状NiCo₂S₄的制备及其在KOH溶液中的电化学行为［J］. 复合材料学报， 2025， 42（4）： 2248-2256.
	LONG S， LIU Y， ZOU P， et al. Preparation of spherical NiCo₂S₄ and the electrochemical behavior in KOH solution［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2025， 42（4）： 2248-2256 （in Chinese）.
[18]	王聪源，喻青松，李智铭，等. NiCo₂S₄纳米材料的制备及其电化学性能［J］. 复合材料学报， 2025， 42（7）： 3793-3803.
	WANG C Y， YU Q S， LI Z M， et al. Preparation of NiCo₂S₄ nanomaterials and their electrochemical properties［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2025， 42（7）： 3793-3803 （in Chinese）.
[19]	QIN B Y， WANG M Q， WU S M， et al. Carbon dots confined nanosheets assembled NiCo₂S₄@CDs cross-stacked architecture for enhanced sodium ion storage［J］. Chinese Chemical Letters， 2024， 35（7）： 108921.
[20]	ZHU T， ZHANG G X， HU T， et al. Synthesis of NiCo₂S₄-based nanostructured electrodes supported on nickel foams with superior electrochemical performance［J］. Journal of Materials Science， 2016， 51（4）： 1903-1913.

浓度调控对NiCo₂S₄/石墨烯气凝胶电化学性能的影响

Effect of Concentration Regulation on Electrochemical Properties of NiCo₂S₄/Graphene Aerogel Composites

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 12

参考文献 20

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	康腱清, 周孟焦, 王洪宇, 余山洪, 康明, 梁晓峰. 纳米氧化亚铜颗粒的绿色制备、表征及抑菌性能[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(4): 642-651.
[2]	苏适, 孙明悦, 车致远, 张丽娜, 王秋实, 马晋文. ZnO/CdS∶Zn异质结构光阳极的制备及性能研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(2): 301-306.
[3]	孟晓燕, 甘欣, 王春洋, 朱瑶贤, 杨流赛, 吴丽丹, 董洪霞. CaMoO₄：Dy³⁺/Sm³⁺白光荧光粉的设计、合成及发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(4): 663-673.
[4]	王利, 宋昱轩, 郭会, 杨登涛, 黄旖旎, 杨云伟, 吴冬妮. Bi³⁺/Eu³⁺共掺杂Zn₂GeO₄荧光粉的制备与光学性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(12): 2181-2189.
[5]	陈继虎, 路亚妮, 聂兮. 碘掺杂和多尺度结构设计提高n型碲化铅的热电性能[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(11): 1947-1953.
[6]	陈继虎, 路亚妮. 粉体还原对硒化亚铜热电性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(8): 1464-1470.
[7]	李波, 王霏宇, 沈红, 毛逢银, 李勇辉. 基于4-羟基间苯二甲酸和含氮杂环配体的Zn(II)配合物的合成、晶体结构与荧光性质研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(4): 692-700.
[8]	孟晓燕, 廖云, 张丽蓉, 张雨蒙, 吴丽丹, 杨流赛. GdPO₄∶Tb³⁺荧光粉的制备及发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(1): 107-114.
[9]	詹廷吾, 贾伟, 董海亮, 李天保, 贾志刚, 许并社. 多孔GaN薄膜的制备与光学性能研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(9): 1599-1608.
[10]	卢浩, 李丙轩, 孙宝平, 黄鑫, 郑熠, 吴少凡, 王帅华. 基于Nd∶LiLuF₄微晶料的晶体生长及激光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(7): 1250-1257.
[11]	邹梓杨, 吴松全, 杨义, 王皞, 黄爱军. 水热釜填充度与溶液pH值对水热法制备钙磷涂层的影响[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(3): 526-535.
[12]	田娜, 刘英才, 杨远航, 肖晨希, 朱建宇, 段博峰, 张强, 宋娟. 一例吡嗪羧酸镉配合物的合成、结构及荧光性质研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(2): 322-326.
[13]	张绍锋, 曹艳翠, 张璇, 李丹, 胡潇, 刘巨澜, 姜秀丽. 深紫外高透过石英晶体的生长和光学性能表征[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(12): 2228-2234.
[14]	张进峰, 富笑男, 郭叶飞, 刘瑞杰, 李媛媛. ZnO/g-C₃N₄复合光催化剂降解及产氢性能研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(11): 2057-2067.
[15]	王宏胜, 李会, 刘瞻, 梁彩莲. Eu(III)与两种吡啶二甲酸配合物的合成、晶体结构与发光性能[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(10): 1829-1835.