楼雄文教授&胡勇教授Angew. Chem. Int. Ed.：构建CoO/Co-Cu-S多级管状异质结构用于混合型超级电容器

【引言】

超级电容器电极材料的多级中空结构能增大材料的比表面积，加快离子和电子的传输，容纳循环过程中的体积膨胀。此外，异质结构的构建会增强内部电场，调节电子结构。多级中空异质结构的这些特征有利于改善超级电容器电极材料的电化学性能和稳定性。

【成果简介】

近日，南洋理工大学的楼雄文教授和浙江师范大学的胡勇教授（共同通讯作者）等人在Angew. Chem. Int. Ed.上报道了通过多步法制备了多孔的CoO/Co-Cu-S多级管状异质结构。此CoO/Co-Cu-S多级管状异质结构由于具有独特中空结构和协同效应，表现出出色的电化学储能性能，在电流密度为2.0 A g^-1时比容量高达320 mAh g^-1，此材料具有突出的倍率性能和循环稳定性。此外，由CoO/Co-Cu-S多级管状异质结构电极和活性碳电极组成的混合型超级电容器在功率密度为800 W kg^-1时具有90.7 Wh kg^-1的能量密度，并表现出长期稳定性。这些出色的性能使得CoO/Co-Cu-S多级管状异质结构在储能应用体系中表现出广阔前景。

【图文导读】

图1. CoO/Co-Cu-S多级管状异质结构的合成路线示意图

图2. FESEM图

(a) PAN-Co(Ac)₂/Cu(NO₃)₂纳米纤维

(b) PAN@MOF-74核-壳纳米纤维（插图为高分辨率FESEM图）

(c) Co-Cu-O多级管状异质结构（插图为高分辨率FESEM图）

(d) CoO/Co-Cu-S-2多级管状异质结构

图3. CoO/Co-Cu-S-2多级管状异质结构的表征

(a) TEM图

(b) HRTEM图

(c) Cu、Co、S和O元素的元素分布图

图4. CoO/Co-Cu-S-2多级管状异质结构、CoO/CoS_x纳米纤维和Cu_1.81S纳米纤维的 (a) Co 2p、(b) Cu 2p、(c) O 1s和 (d) S 2p的XPS图

图5. CoO/Co-Cu-S-2多级管状异质结构、CoO/Co-Cu-S-1多级管状异质结构、CoO/Co-Cu-S-0.5多级管状异质结构、CoO/Co-Cu-S-2纳米针、CoO/CoS_x纳米纤维和Cu_1.81S纳米纤维的电化学性能

(a) CV曲线

(b) GCD曲线

(c) 比容量

(d) EIS曲线

(e) 循环稳定性

图6. CoO/Co-Cu-S-2多级管状异质结构的电化学表征

(a) 不同扫描速率下的CoO/Co-Cu-S-2多级管状异质结构的CV曲线

(b) CoO/Co-Cu-S-2多级管状异质结构的峰值电流和扫描速率之间的关系

(c) 5 mV s^-1扫描速率下CoO/Co-Cu-S-2多级管状异质结构的CV曲线

(d) 不同扫描速率下电容控制和扩散控制过程所占的比例

图7. 混合型超级电容器的电化学性能

(a) CV曲线

(b) GCD曲线

(c) 比容量和库伦效率

(d) 能量密度和功率密度的关系

(e) 循环稳定性

【小结】

研究团队制备了CoO/Co-Cu-S多级管状异质结构。其中，CoO/Co-Cu-S-2多级管状异质结构在电流密度为2.0 A g^-1时比容量高达320 mAh g^-1，电流密度增加到30 A g^-1时保留了74%的比容量，电流密度为10 A g^-1时运行了5000次循环后保留了96.5%的初始容量。而且，由CoO/Co-Cu-S-2多级管状异质结构电极和活性碳电极组成的混合型超级电容器在功率密度为800 W kg^-1时具有90.7 Wh kg^-1的能量密度，并表现出长期稳定性。这项工作为储能应用中高性能电极材料的设计提供了有效的方法。

文献链接：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。感谢张鹏博士在百忙中对本文进行校稿。