应用成果

 DOI：10.1016/j.cej.2026.172716

通讯作者：新疆大学郭继玺教授、吴雪岩教授，南京航空航天大学张校刚教授

全文概述

本文提出一种“低温预氧化+闪蒸焦耳加热”协同策略，在煤基碳表面引入丰富的C=O与=C-H官能团作为锚定位点，通过闪蒸焦耳加热在4.6秒内将铜前驱体转化为均匀负载的Cu/Cu₂O/Cu₂S异质结构。该异质结构不仅提供了丰富的Cu⁰/Cu⁺多重氧化还原对，增强了法拉第反应的可逆性，还通过界面效应促进了离子吸附与电荷传输。该材料在三电极体系中表现出2041 F g⁻¹的高比电容，组装的不对称超级电容器展现出60.01 Wh kg⁻¹的高能量密度和97.29%的循环稳定性。

文章亮点

（1）创新制备策略：低温预氧化与闪速焦耳加热结合，4.6秒即可完成异质结构合成，解决传统高温处理耗时耗能问题，且有效抑制铜基化合物团聚。

（2）高效结构设计：构建的Cu/Cu₂O/Cu₂S@OMC异质结构兼具多氧化还原对（Cu⁰/Cu⁺）和丰富晶格缺陷，同步提升比电容与离子传输效率。

（3）优异电化学性能：电极比电容高达2041 F g⁻¹，组装器件能量密度与循环稳定性优于多数同类材料，10000次循环容量保持率97.29%。

图文解析

图1：Cu@OMC异质结构电极的合成过程示意图

展示从原始煤（RC）到目标材料的完整制备链条。先通过400℃空气低温预氧化将RC转化为富含官能团的OMC；再采用浸渍法负载CuCl₂与硫脲前驱体；最后经1400℃闪速焦耳加热（FJH），在煤基碳基底上形成Cu/Cu₂O/Cu₂S异质结构。

图2：低温预氧化过程表征与分析

图（a）低温预氧化机理示意图，展示RC经脱水、碱处理后，表面生成多孔结构与不饱和官能团的过程。图（b）N₂吸附-解吸等温线，比较了RC（原煤）和OMC的孔隙结构，OMC展现出更高的比表面积和微孔/介孔复合结构。图（c）拉曼光谱，显示了OMC具有更高的缺陷程度，有利于电荷转移。图（d）XRD图谱，23°和45°附近的衍射峰表明RC与OMC均为无定形碳结构。图（e）元素分析，OMC氧含量从RC的9.41%增至33.67%，验证预氧化有效引入含氧官能团。图（f-g）原位红外光谱，随温度升高，Ar-O-C峰减弱而C=O、C=C、=C-H峰增强，同时出现CO₂特征峰，证实预氧化过程中官能团重构与多孔结构形成。

图3：不同焦耳热温度下Cu@OMC的结构演变

图（a）Cu@OMC形成示意图展示了在闪蒸焦耳热过程中，1000-1400℃温度梯度下铜基化合物的物相转变规律。图（b-d）SEM图展示了不同温度下合成的Cu@OMC的表面形貌，1400°C下形成了均匀的Cu/Cu₂O/Cu₂S异质结构。图（e-g）XRD图谱分析了不同温度下合成的Cu@OMC的晶体结构变化，揭示了Cu²⁺向Cu⁺/Cu⁰的转化过程。

图4：不同碳基底材料的微观结构与元素分布

图（a-c）SEM图对比Cu@OMC、Cu@RC与Cu₂S的形貌差异，结果表明Cu@OMC表面颗粒分散均匀，Cu@RC表面光滑（Cu与Cu₁.₉₆S共存），CuₓS无碳基底支撑导致颗粒严重团聚。图（d-f）TEM/HRTEM图显示OMC为无定形碳且含大量微孔，异质结构中观察到Cu₂S（0.291 nm，312晶面）、Cu₂O（310晶面）与Cu（0.210 nm，111晶面）的特征晶面间距，且Cu₂S晶格在碳界面处存在轻微畸变，体现异质界面效应。图（g）元素分布图显示了Cu、O、S 在OMC表面均匀分布，证实铜基化合物与碳基底的紧密结合。

图5：XPS光谱分析

图（a）全谱扫描，确认了Cu@OMC和Cu@RC中存在C、Cu、S和O元素。图（b）C1s谱显示，Cu@OMC出现C-S、O-C-O、C-O-C、C=C键，而Cu@RC仅含 C-S、O-C-O、C-C键，证明OMC的不饱和官能团与铜基化合物发生相互作用。图（c）Cu2p谱显示分析了Cu的价态变化，Cu@OMC中Cu⁰和Cu⁺含量更高。图（d）O1s谱，Cu@OMC的C=O、C-O峰面积更大，Cu-O键结合能更低，归因于碳基底预活化增强了与铜基化合物的相互作用。

图6：电化学性能分析

图（a）1 A g⁻¹下的GCD曲线，Cu@OMC的放电时间显著长于Cu@RC与CuₓS，计算比电容分别为2041.4、781.4、38.1 F g⁻¹。图（b）Nyquist图展示了Cu@OMC的电荷转移电阻（Rct=0.69 Ω）远低于Cu@RC（1.26 Ω）和CuₓS（3.74 Ω），表明异质结构与碳基底协同提升导电性。图（c）倍率性能显示Cu@OMC在20 A g⁻¹下容量保持率63.8%，优于Cu@RC和CuₓS，证实结构稳定性。图（d-e）电容贡献与扩散控制分析展示了Cu@OMC在不同扫描速率下的电容和扩散控制行为。图（f-i）原位XRD揭示充放电过程中Cu、Cu₂O、Cu₂S的价态变化与反应机理；图（j-k）循环稳定性与XRD分析证明了Cu@OMC在长期循环中的优异稳定性和结构保持性。

图7：不对称超级电容器性能

图（a）制备示意图展示了以Cu@OMC为负极、AC为正极，6 M KOH为电解液。图（b）不同扫速下的CV曲线显示0-1.6 V宽电压窗口内曲线形状无明显畸变，体现良好倍率性能。图（c）GCD曲线计算了不同电流密度下的比电容，1 A g⁻¹下比电容167.50 F g⁻¹，充放电对称。图（d）拉贡图比较了与其他类似材料的能量密度和功率密度，Cu@OMC器件的能量密度（60.01 Wh kg⁻¹）与功率密度（800.00 W kg⁻¹）优于多数同类材料。图（e）循环稳定性显示经过10,000次循环后，Cu@OMC基不对称超级电容器展现出97.29%的容量保持率。图（f）实际应用显示了组装的超级电容器成功点亮LED灯，验证实际应用潜力。

图8：DFT理论计算与机理分析

图（a-c）原子结构模型对比，Cu@OMC为Cu₂S/富氧碳/Cu异质结构，Cu@RC 为Cu₁.₉₆S /碳/Cu结构，CuₓS为多相硫化铜混合物。图（d-f）态密度（DOS）分析显示Cu@OMC的费米能级附近DOS最高，表明导电性最优，利于电子转移。图（g）OH⁻吸附能结果显示，Cu@OMC的吸附能更低，实现更快的离子吸附/脱附。图（h）Warburg常数分析结果表明，Cu@OMC的σ值最大，离子迁移能垒最低。图（i-j）电荷密度差揭示了界面电荷传输机制，Cu@OMC的电子积累/耗尽区域更大，证实富氧碳促进电子迁移，优化界面电子结构。

总结展望

本文通过低温预氧化与超快焦耳加热技术结合，成功制备了高性能的 Cu/Cu₂O/Cu₂S@OMC异质结构电极材料，显著提升了超级电容器的比电容和能量密度，解决了铜基化合物团聚与活性位点不足的关键问题。富氧碳基底的官能团锚定作用、异质结构的晶格缺陷与多氧化还原对协同作用，使材料展现出优异的电化学性能。未来，随着对异质结构电极材料研究的深入，有望进一步推动超级电容器技术的发展，满足新能源领域对高效储能器件的迫切需求。

通讯作者简介

张校刚，南京航空航天大学教授，博士生导师。江苏省高效储能材料与技术重点实验室主任，纳智能材料器件教育部重点实验室副主任，中国硅酸盐学会固态离子学分会理事；中国化学会电化学专业委员会委员；中国电池工业协会常务理事；中国超电产业联盟副理事长；江苏省材料学会副理事长；江苏省储能行业协会专家委员会副主任；江苏省化学化工学会常务理事；江苏省复合材料学会常务理事。国际期刊Batteries&Supercaps编委，电化学、电池、储能科学与技术等期刊和南京航空航天大学学报（自然科学版）编委。入选江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人和江苏省“333”人才工程第二层次，英国皇家化学会(RSC)会士(Fellow)。主要从事高致密电化学储能材料与技术相关的教学、科研工作。新能源材料与器件专业负责人。先后承担了10多项国家级、省部级及国防与军队项目等，迄今以通讯作者在包括 Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater.等国际权威杂志发表学术论文300余篇，SCI他引超过10000余次，连续入选爱思维尔中国高被引学者及科睿唯安全球高被引学者。获授权发明专利26件，公开发明专利37件。已培养博士后3人，博士20余人，硕士60余人。在国际与国内级学术会议做超级电容器相关邀请报告30余次。获2013年教育部高等学校科学研究优秀成果二等奖（排名第一），2016年和2018年江苏省科学技术二等奖（排名第一），2018年江苏省教育教学与研究成果奖（研究类）一等奖。 

郭继玺，新疆大学化学学院教授，博士研究生导师，现为先进功能材料自治区重点实验室主任、新疆煤基炭功能材料自治区创新团队负责人，2012年入选香江学者计划、2013年获自治区杰出青年自然科学基金资助，2023年获天山英才科技创新领军人才项目支持。先后主持国家自然科学基金、自治区自然科学基金、自治区高校成果转化等20余项课题研究，主要从事碳基功能材料、煤炭高附加值利用相关研究，围绕煤炭清洁高效利用研究开发中亟待解决的关键科学问题开展研究工作，取得了系列原创性的研究成果，并受到国内外同行的广泛关注和高度评价，在Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett., Appl. Catal. B Environ., Small, Chem. Sci., Chem. Eng. J.等重要学术期刊上发表SCI收录学术论文100余篇，他引2000余次；申请国家发明专利10项，授权4项。相关研究成果获2020年自治区自然科学一等奖，获2016、2011年自治区科技进步一等奖，获2019年自治区第十届高等教育教学成果一等奖，获自治区自然科学优秀论文一等奖2项、二等奖各1项。

吴雪岩，新疆大学化学学院教授，硕士生导师，主要从事碳基功能材料的可控合成与应用研究，先后主持国家自然科学基金青年基金、国家自然科学基金重点项目子课题、科技部重点研发项目子课题、自治区自然科学基金等科研项目10余项。2019年入选自治区天池博士计划，2020年入选天山青年计划，2024年入选“天山英才”青年拔尖人才。先后在Nat. Commun; Chem. Sci.; Chem. Eng. J.; Small; J. Mater. Chem .C; Carbon; Mater. Chem. Front.等重要学术期刊上发表SCI收录学术论文50余篇，他引1500余次，其中高被引论文2篇，申请国家发明专利5项，授权2项。

本文使用的焦耳加热装置是由合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持与认可！

焦耳加热装置

焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。