CoPS：在MOF衍生的镀碳电纺CoO纳米纤维上原位生长的材料，用于制备高性能超级电容器

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：CoPS x in situ grown on MOF-derived C-coated electrospun CoO nanofibers towards high-performance supercapacitors

采用电纺-煅烧法构建CoO@C纤维，经CVD硫磷共掺杂制备CoPSx复合材料。其三维纤维-碳壳-磷硫协同结构实现高比电容（1930.4 F g?1@1 A g?1）与长循环稳定性（89.9%容量保持率）。

　　这项研究提出了一种新颖的分级电极材料，通过静电纺丝和煅烧工艺制备而成。研究人员首先利用静电纺丝技术合成了一维结构的氧化钴纤维（CoO），随后将其与沸石咪唑酯骨架-67（ZIF-67）复合，经过碳化处理得到具有导电性的碳包覆氧化钴（CoO@C）。最后，通过化学气相沉积（CVD）技术实现硫化和磷化，使钴磷硫化物（CoPS?）在CoO@C纤维表面原位生长，最终形成CoO@C/CoPS?复合材料。该材料的结构设计巧妙地融合了多个关键特性，使其在超级电容器领域展现出卓越的性能。

超级电容器因其高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命而受到广泛关注，尤其是在可再生能源存储和智能电子设备领域。然而，受限于相对较低的能量密度，其实际应用仍面临挑战。为了解决这一问题，研究人员致力于改进电极材料，使其在保持高功率密度和长循环寿命的同时，能够显著提升能量密度。这要求电极材料具备优异的电荷存储能力、良好的导电性和高效的离子传输性能。因此，设计一种具有多级结构的电极材料成为关键。

本研究的电极材料由三个核心部分组成：一维的静电纺丝氧化钴纳米纤维、源自金属有机框架（MOF）的碳涂层，以及通过硫磷协同效应优化的钴磷硫化物表面层。这种结构的整合使得电极材料在多个方面都具有显著优势。首先，静电纺丝纳米纤维提供了连续的导电骨架，有助于电子的高效传输。其次，MOF衍生的碳涂层不仅提升了材料的导电性，还通过其高比表面积和多孔结构促进了电解质离子的扩散，同时增强了材料的结构稳定性。最后，硫磷协同效应赋予了钴磷硫化物丰富的氧化还原化学特性，优化了其电子结构，从而显著提升了电化学活性。

静电纺丝技术能够制备出具有高度均匀性和可控形貌的纳米纤维，为电极材料的设计提供了良好的基础。通过选择适当的前驱体和工艺参数，研究人员能够获得表面光滑、直径均匀的CoO纤维。这些纤维不仅提供了机械强度，还通过其一维结构促进了电子的长程传输，避免了纳米颗粒的聚集，从而确保了整个电极结构中电解质的充分接触。接下来，将CoO纤维与ZIF-67结合，再经过碳化处理，形成了具有导电性的碳包覆层。这一碳涂层的引入不仅提升了材料的导电性能，还为后续的硫磷协同效应提供了必要的平台。

硫磷协同效应是本研究的核心创新之一。钴磷硫化物（CoPS?）作为一种新型的复合材料，其结构中同时含有硫和磷元素，这使得其具有独特的氧化还原特性。磷的引入优化了材料的电子结构，提高了其本征导电性，并增强了化学稳定性。而硫则为材料提供了更高的电化学活性和更丰富的氧化还原反应路径。通过同时硫化和磷化，研究人员在钴磷硫化物的晶格中实现了硫和磷的协同作用，这种协同效应不仅提升了材料的催化活性，还加速了反应动力学，为电荷存储提供了更多的活性位点。此外，原位生长的方法确保了钴磷硫化物与碳包覆纤维之间具有良好的界面接触，从而减少了电荷转移的电阻。

氧化钴（CoO）作为电极材料的一部分，主要贡献在于其伪电容行为。CoO材料在表面发生的Co2?/Co3?氧化还原反应能够实现高效的电荷存储。这一特性已经被广泛研究和验证，表明CoO在电容性能方面具有显著优势。同时，钴磷硫化物的引入进一步增强了电极材料的整体性能。研究表明，钴磷硫化物由于其高表面活性和电催化特性，能够显著提升电化学性能，从而实现更高的能量存储能力。此外，钴磷硫化物的结构特性，如丰富的氧化还原反应路径和高比表面积，使其成为理想的电荷存储材料。

碳涂层在电极材料中起到了至关重要的作用。它不仅提升了材料的导电性，还为整个电极结构提供了机械和化学保护。碳层的存在有助于减少电极材料在电化学循环过程中的结构退化，从而提高其循环稳定性。此外，碳层的多孔结构和高比表面积促进了电解质离子的扩散，增强了材料的电化学性能。这种结构的优化使得CoO@C/CoPS?复合材料能够在高电流密度下保持良好的电容性能，同时具备优异的循环稳定性。

在实验测试中，CoO@C/CoPS?电极表现出卓越的性能。其在1 A/g电流密度下的比电容高达1930.4 F/g，这一数值远超传统电极材料。此外，该电极在10,000次循环后仍能保持89.9%的容量保持率，显示出出色的循环稳定性。基于这种电极材料的双电极测试进一步验证了其在实际应用中的潜力，实现了高达83.75 Wh/kg的能量密度，同时在832.80 W/kg的功率密度下仍保持89.0%的容量保持率。这些结果表明，该复合材料不仅在实验室条件下表现出色，而且在实际应用中具有广阔前景。

为了进一步验证材料的结构和性能，研究人员还进行了详细的材料表征。电子显微镜图像显示，静电纺丝的CoO纤维具有均匀的直径和连续的一维形态，为后续的碳化和硫磷协同效应提供了理想的基底。煅烧过程使得纤维表面变得更加粗糙，并形成了纳米颗粒，这有助于增加比表面积，同时为ZIF-67的生长提供了核化位点。ZIF-67的沉积进一步覆盖了纤维表面，经过碳化处理后形成了均匀的碳涂层。这一过程不仅优化了材料的导电性，还增强了其结构稳定性。

钴磷硫化物的形成是通过CVD技术实现的。在这一过程中，硫化和磷化同时进行，使得钴磷硫化物能够在CoO@C纤维表面原位生长。这种原位生长的方法确保了钴磷硫化物与碳包覆纤维之间的紧密接触，从而降低了电荷转移的阻力。同时，钴磷硫化物的结构特性，如丰富的氧化还原反应路径和高比表面积，使得其在电荷存储方面表现出色。这种结构的优化使得CoO@C/CoPS?复合材料在高电流密度下仍能保持较高的比电容，同时具备优异的循环稳定性。

该研究的创新之处在于其多级结构设计和硫磷协同效应的结合。这种设计不仅提升了电极材料的导电性，还优化了其结构稳定性，使得材料在电化学循环过程中不易发生结构退化。此外，通过引入硫和磷元素，研究人员成功地提升了材料的电化学活性，使其在能量存储方面表现出色。这种结构的优化为开发高性能的电极材料提供了新的思路，也为超级电容器的实际应用奠定了基础。

为了进一步拓展该材料的应用前景，研究人员还探讨了其在双电极系统中的表现。双电极测试不仅能够评估材料的性能，还能模拟实际应用中的工作条件。实验结果表明，基于CoO@C/CoPS?电极的双电极系统能够实现高达83.75 Wh/kg的能量密度，同时在832.80 W/kg的功率密度下仍保持较高的容量保持率。这一结果表明，该复合材料不仅适用于单电极系统，还能够在双电极系统中实现高效的能量存储和释放。

在实际应用中，超级电容器需要具备高能量密度、高功率密度和长循环寿命。而本研究中的CoO@C/CoPS?复合材料正好满足了这些要求。其高比电容和优异的循环稳定性使其在高功率应用中具有显著优势。同时，其高能量密度和良好的功率密度使得该材料在储能系统中具有广阔的前景。这些特性使得该材料有望成为下一代高性能超级电容器的候选电极材料。

该研究的成果不仅为电极材料的设计提供了新的思路，也为超级电容器的发展带来了新的机遇。通过多级结构的优化和硫磷协同效应的引入，研究人员成功地提升了电极材料的性能，使其在高功率和高能量密度的应用中表现出色。这一研究为未来的能源存储技术提供了重要的理论基础和实验依据，同时也为相关领域的研究者提供了可借鉴的设计策略。

此外，该研究还强调了材料表征在电极设计中的重要性。通过电子显微镜、X射线衍射等技术，研究人员能够深入理解材料的微观结构和化学组成，从而进一步优化其性能。这种系统性的材料表征方法不仅有助于揭示材料性能的提升机制，也为后续的材料改性和性能优化提供了科学依据。

在材料合成方面，研究人员采用了多种先进的技术，包括静电纺丝、煅烧、ZIF-67沉积和CVD硫磷协同处理。这些技术的结合使得材料能够在多个层面实现性能的优化。静电纺丝技术确保了材料的一维结构，煅烧过程提升了其结晶度和多孔性，ZIF-67的沉积提供了导电性和结构保护，而CVD技术则实现了硫磷协同效应，进一步提升了材料的电化学性能。

总之，这项研究通过创新的多级结构设计和硫磷协同效应的引入，成功开发了一种高性能的电极材料。该材料在比电容、循环稳定性和能量密度方面均表现出色，有望在未来成为超级电容器的重要组成部分。其研究方法和设计思路为电极材料的开发提供了新的方向，同时也为可持续能源系统的发展做出了贡献。