生态工程设计的Co3O4/CoO/C纳米复合材料：用于超级电容器和高效水分解

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Eco-Engineered Co3O4/CoO/C Nanohybrid for Supercapacitors and Efficient Water Splitting

通过超声辅助低温法合成具有协同氧化还原性能的Co3O4/CoO/C纳米杂化材料，其双相结构（44nm Co3O4晶粒和5.7nm CoO晶粒）与缺陷富集界面结合，实现高比电容（2416 F/g@1A/g）和长循环稳定性（98%容量保持率）。材料同时表现出低氧析出过电位（327mV@10mA/cm2），通过多级孔道（398nm平均孔径）和纳米片结构（<5nm厚度）促进离子扩散。该研究将相工程与绿色合成结合，为海水储能系统开发提供新思路。

　　

摘要

通过可持续的合成途径开发高性能、双功能的电极材料对于推动下一代能源技术的发展至关重要。本文介绍了一种采用超声辅助的低热合成方法制备的生态工程Co₃O₄/CoO/C纳米复合材料，该材料由尖晶石结构的Co₃O₄（44纳米晶体）和类莫特结构的CoO（5.7纳米晶体）与碳结合而成。这些材料通过XRD、FT-IR和SEM/EDX进行了表征。数据分析表明，它们具有连贯的界面结构，晶格应变最小（0.1–1.965%），且相界处缺陷丰富，从而实现了Co³?/Co²?的协同氧化还原反应以及碳对导电性的增强。电化学测试结果显示，该材料具有优异的超级电容器性能：在电流密度为1 A g?¹时，其比电容分别为1611 F g?¹（使用石墨作为对电极）和2416 F g?¹（使用铂作为对电极）；在10 A g?¹的电流密度下，经过5000次循环后电容保持率仍达到98%。作为电催化剂，该纳米复合材料在碱性介质中表现出较低的氧 evolution 反应（OER）过电位，为327 mV（电流密度为10 mA cm?²）。其分级孔结构（平均孔径398纳米）和纳米片状形态（厚度小于5纳米）有助于快速离子扩散，并最大化活性位点的可及性。本研究将相工程与绿色合成技术相结合，成功制备出这种双功能能源材料，展现出在海水应用中的巨大潜力。