樓雄文教授&胡勇教授Angew. Chem. Int. Ed.：構建CoO/Co-Cu-S多級管狀異質結構用于混合型超級電容器

【引言】

超級電容器電極材料的多級中空結構能增大材料的比表面積，加快離子和電子的傳輸，容納循環過程中的體積膨脹。此外，異質結構的構建會增強內部電場，調節電子結構。多級中空異質結構的這些特征有利于改善超級電容器電極材料的電化學性能和穩定性。

【成果簡介】

近日，南洋理工大學的樓雄文教授和浙江師范大學的胡勇教授（共同通訊作者）等人在Angew. Chem. Int. Ed.上報道了通過多步法制備了多孔的CoO/Co-Cu-S多級管狀異質結構。此CoO/Co-Cu-S多級管狀異質結構由于具有獨特中空結構和協同效應，表現出出色的電化學儲能性能，在電流密度為2.0 A g^-1時比容量高達320 mAh g^-1，此材料具有突出的倍率性能和循環穩定性。此外，由CoO/Co-Cu-S多級管狀異質結構電極和活性碳電極組成的混合型超級電容器在功率密度為800 W kg^-1時具有90.7 Wh kg^-1的能量密度，并表現出長期穩定性。這些出色的性能使得CoO/Co-Cu-S多級管狀異質結構在儲能應用體系中表現出廣闊前景。

【圖文導讀】

圖1. CoO/Co-Cu-S多級管狀異質結構的合成路線示意圖

圖2. FESEM圖

(a) PAN-Co(Ac)₂/Cu(NO₃)₂納米纖維

(b) PAN@MOF-74核-殼納米纖維（插圖為高分辨率FESEM圖）

(c) Co-Cu-O多級管狀異質結構（插圖為高分辨率FESEM圖）

(d) CoO/Co-Cu-S-2多級管狀異質結構

圖3. CoO/Co-Cu-S-2多級管狀異質結構的表征

(a) TEM圖

(b) HRTEM圖

(c) Cu、Co、S和O元素的元素分布圖

圖4. CoO/Co-Cu-S-2多級管狀異質結構、CoO/CoS_x納米纖維和Cu_1.81S納米纖維的 (a) Co 2p、(b) Cu 2p、(c) O 1s和 (d) S 2p的XPS圖

圖5. CoO/Co-Cu-S-2多級管狀異質結構、CoO/Co-Cu-S-1多級管狀異質結構、CoO/Co-Cu-S-0.5多級管狀異質結構、CoO/Co-Cu-S-2納米針、CoO/CoS_x納米纖維和Cu_1.81S納米纖維的電化學性能

(a) CV曲線

(b) GCD曲線

(c) 比容量

(d) EIS曲線

(e) 循環穩定性

圖6. CoO/Co-Cu-S-2多級管狀異質結構的電化學表征

(a) 不同掃描速率下的CoO/Co-Cu-S-2多級管狀異質結構的CV曲線

(b) CoO/Co-Cu-S-2多級管狀異質結構的峰值電流和掃描速率之間的關系

(c) 5 mV s^-1掃描速率下CoO/Co-Cu-S-2多級管狀異質結構的CV曲線

(d) 不同掃描速率下電容控制和擴散控制過程所占的比例

圖7. 混合型超級電容器的電化學性能

(a) CV曲線

(b) GCD曲線

(c) 比容量和庫倫效率

(d) 能量密度和功率密度的關系

(e) 循環穩定性

【小結】

研究團隊制備了CoO/Co-Cu-S多級管狀異質結構。其中，CoO/Co-Cu-S-2多級管狀異質結構在電流密度為2.0 A g^-1時比容量高達320 mAh g^-1，電流密度增加到30 A g^-1時保留了74%的比容量，電流密度為10 A g^-1時運行了5000次循環后保留了96.5%的初始容量。而且，由CoO/Co-Cu-S-2多級管狀異質結構電極和活性碳電極組成的混合型超級電容器在功率密度為800 W kg^-1時具有90.7 Wh kg^-1的能量密度，并表現出長期穩定性。這項工作為儲能應用中高性能電極材料的設計提供了有效的方法。

文獻鏈接：Construction of CoO/Co-Cu-S Hierarchical Tubular Heterostructures for Hybrid Supercapacitors（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201907516）

本文由kv1004供稿。感謝張鵬博士在百忙中對本文進行校稿。