南京航空航天大学/新疆大学,新发Chemical Engineering Journal!

随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益突出，开发高效、环保的能源存储技术成为能源领域的关键任务之一。超级电容器作为一种具有高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命的储能设备，近年来受到广泛关注。然而，其较低的能量密度限制了其在大规模储能和便携式电子设备中的应用。为了突破这一瓶颈，研究者们致力于开发高性能电极材料，以提升超级电容器的能量密度和容量。铜基化合物因其优异的电导率和丰富的价态变化，展现出作为赝电容材料的巨大潜力。然而，铜基材料在制备过程中容易发生纳米颗粒团聚，导致活性位点减少，从而限制了其电化学性能的进一步提升。因此，如何有效分散铜基化合物并增强其与电极基底的结合力，成为当前研究的科学难题。

南京航空航天大学张校刚教授及新疆大学郭继玺教授、吴雪岩教授团队提出了一种通过低温预氧化策略和快速焦耳热处理相结合的方法，制备出具有多价态的铜基复合材料电极。研究团队首先对煤基碳材料进行低温预氧化处理，引入丰富的含氧官能团，为铜基化合物的均匀锚定提供了理想的活性位点。随后，通过快速焦耳热处理，成功构建了铜/氧化铜/硫化铜异质结构，并与碳基底紧密结合。这种异质结构不仅促进了电解液离子的吸附和扩散，还通过多价态铜的氧化还原反应显著提升了电极的赝电容性能。实验结果表明，优化后的电极在三电极体系中展现出高达2041 F/g的比电容，并在组装成非对称超级电容器后，实现了60.01 Wh/kg的能量密度和800 W/kg的功率密度，同时在10000次循环后容量保持率达97.29%。本研究为高性能超级电容器电极材料的设计提供了新的思路，也为解决铜基材料团聚问题提供了有效的解决方案。

图1：Cu@OMC异质结构电极的合成过程示意图

图2：低温预氧化过程的物理化学表征

图3：不同温度下Cu@OMC的形貌与结构演变

图4：不同碳基底负载铜基化合物的形貌对比

图5：Cu@OMC与Cu@RC的表面化学状态分析

图6：三电极体系中的电化学性能与储能机制

图7：非对称超级电容器的器件性能

图8：DFT计算揭示异质结构的电子结构与吸附行为

本研究通过低温预氧化和快速焦耳热处理相结合的策略，成功制备了具有Cu/Cu₂O/Cu₂S异质结构的高性能超级电容器电极材料。该方法不仅显著提升了电极材料的比电容（达到2041 F/g），还实现了在6M KOH电解液中的高能量密度（60.01 Wh/kg）和优异的循环稳定性（10000次循环后容量保持率97.29%）。研究揭示了异质结构中丰富的铜基氧化还原对促进了离子吸附与扩散，同时碳基底的高导电性和功能性官能团为铜基化合物提供了稳定的锚定位点，有效解决了铜基材料易团聚的问题。这一成果不仅为设计高性能超级电容器电极材料提供了新的思路，也为解决金属基电极材料的分散性问题提供了重要参考。其潜在应用价值在于推动超级电容器在高功率储能设备、便携式电子设备以及电动汽车等领域的广泛应用。未来的研究方向可以聚焦于进一步优化异质结构的组成与界面工程，探索更多金属与碳基底的协同作用机制，以及开发适用于大规模生产的高效制备工艺，以实现高性能超级电容器的商业化应用。

Hongxia Gao, Xueyan Wu, Yan Lv, Rui Xue, Fanze Meng, Peiqi Jing, Jixi Guo, Xiaogang Zhang. Ultrafast synthesis of Cu/Cu₂O/Cu₂S@coal-based carbon heterostructure with multiple redox pairs for enhancing specific capacitance in asymmetric supercapacitors. Chemical Engineering Journal, Volume 528, 2026,172716, ISSN 1385-8947. https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172716.

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