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超級電容器由于其比傳統電容器更高的能量密度和比電池更高的功率密度已被廣泛應用于便攜式電子產品和混合動力電動汽車中。超級電容器的性能很大程度上受到電極材料的影響，其中鈷基材料，特別是Co₃O₄及其復合物，由于其相對低的成本、高的理論比電容、無毒性和優異的電化學活性受到研究者廣泛關注，但如何使Co₃O₄基材料成為超級電容器高效電極仍然有很多挑戰。

近日，江蘇大學朱脈勇教授課題組總結了Co₃O₄基作為超級電容器材料的電化學優勢，對Co₃O₄基材料/復合材料的合理設計及其用于超級電容器電容特性提供一些基本見解，并提出了未來的研究方向。

圖1.?Co₃O₄基材料/復合材料用于超級電容器的合理設計及其應用

圖2. (a)超級電容器結構原理圖；(b)純Co₃O₄摻雜Gd元素；(c)純Co₃O₄引入氧空位

提升Co₃O₄性能的關鍵在于提高其本征電導率和循環穩定性。從Co₃O₄納米材料的形貌調控和微觀結構設計出發，可以有效達到以上目的。在Co₃O₄納米晶體中摻雜其它元素（包括金屬摻雜和非金屬摻雜）或植入氧空位以提高其各項性能。此外可以將Co₃O₄與其它具有優良導電性或高循環穩定的材料（如貴金屬、氧化物/硫化物、碳、導電聚合物等）復合，通過不同組分間的協同效應改善Co₃O₄的性能。近年來，Co₃O₄基二元復合材料在超級電容器領域已被廣泛應用并取得突破性成就，與此同時，三元復合材料由于具有優異電導率、比電容、倍率性能以及循環穩定性等性能優勢也可滿足超級電容器實際應用的要求。因此，構造Co₃O₄基三元復合材如三元氧化物/導電聚合物、三元Co₃O₄/氧化物/碳復合材料、三元Co₃O₄/CNT/石墨烯復合材料等在電解液中具有更好的導電性和更高的氧化還原活性的材料也成為研究重點。三元復合材料的各組分之間存在互補協同效應，從而提升了材料比電容。Co₃O₄基材料作為超級電容器電極材料的未來發展方向主要面臨以下挑戰。首先，需要精確控制摻雜元素和氧空位含量以最大程度提升Co₃O₄的電容量。此外，應將Co₃O₄與更多性能優異的材料進行復合，以充分發揮各組分的優點，達到1+1>2的效果。

圖3.Co₃O₄基二元復合材料：(a) Co₃O₄@Ag二元復合；(b) Co₃O₄@RuO₂二元復合；(c) Co₃O₄@CoNiS₄二元復合；(d) Co₃O₄@CNT二元復合；(e) Co₃O₄@PPy二元復合

圖4.?Co₃O₄基三元復合材料:?(a)Co₃O₄@C@PPy三元復合；(b) rGO/Co₃O₄@Fe₂O₃三元復合

論文信息

Recent Progress in Co₃O₄-Based Nanomaterials for Supercapacitors

Congcong Lu,?Lingran Liu,?Yu Yang,?Yunping Ma,?Qiao Luo,?Prof.?Dr. Maiyong Zhu

ChemNanoMat

DOI:?10.1002/cnma.202200537

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