配体溶剂热调控策略构建"点-线-面"碳网络用于高性能混合超级电容器

本文创新性地提出配体溶剂热调控策略，通过尿素/无水乙醇和均苯三酸/N,N-二甲基乙酰胺两种体系分别构建具有"点(CoFe2O4或CoFe)-线(CNTs)-面(GO)"三维网络的复合电极材料。所组装的非对称超级电容器(HSC)在1.5V工作电压下展现出83.4 Wh/kg的高能量密度和20000次循环后97.3%的容量保持率，为新型储能器件开发提供了新思路。

　　

研究亮点

"点-线-面"碳网络电极材料相较于传统结构("点-点"、"点-线"等)具有显著优势：1）形成三维交联网络结构，在提升导电性的同时防止纳米颗粒团聚；2）具有大比表面积和丰富的多级孔道结构（大孔-介孔-微孔），为电解质离子传输提供快速通道；3）独特的桥接通道结构显著提升电子转移效率。

结果与讨论

通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)证实了CoFe₂O₄/CG正极中尖晶石型CoFe₂O₄的成功合成，以及CoFe/CG负极中CoFe合金纳米颗粒的形成。透射电镜(TEM)显示CoFe₂O₄纳米颗粒(5-8nm)和CoFe纳米颗粒(10-15nm)均匀分布在碳纳米管(CNTs)与氧化石墨烯(GO)构建的三维网络上。

电化学测试表明，得益于独特的"点-线-面"结构，CoFe₂O₄/CG正极在1M KOH电解液中展现出优异的赝电容特性（在1A/g电流密度下比电容达1124F/g），而CoFe/CG负极则主要表现双电层电容特性（在1A/g下为682F/g）。这种性能差异主要源于配体溶剂调控形成的不同活性中心：尿素配体促进金属氧化物形成，而均苯三酸配体导向MOF衍生碳材料的生成。

结论

本研究通过配体溶剂热调控策略成功构建了具有"点-线-面"分级结构的碳网络电极材料。组装的CoFe₂O₄/CG//CoFe/CG混合超级电容器实现了1.5V的宽电压窗口和83.4Wh/kg的高能量密度，其性能优势主要来源于：1）三维导电网络加速电荷传输；2）多价态Co/Fe协同效应增强氧化还原活性；3）分级孔道结构优化离子扩散动力学。该工作为设计高性能储能器件提供了新的材料构建策略。