钼位点掺杂改性CoMo1-yXyO4·(H2O)0.75分胞状材料在超级电容器中的性能优化与应用研究

为解决钴钼氧化物（CoMoO4）电极材料导电性差、循环稳定性不足等问题，研究人员通过水热法制备了钼位点掺杂（Fe、Cr等）的CoMo1-yXyO4·(H2O)0.75材料。结果表明，3% Cr掺杂样品在0.001 A/cm2电流密度下电容达19.86 F/cm2，且结构稳定性显著提升，为高性能超级电容器电极设计提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，清洁能源如太阳能、风能的间歇性缺陷催生了对高效储能技术的迫切需求。超级电容器（Supercapacitor）凭借高功率密度和快速充放电特性成为研究热点，但其核心瓶颈在于电极材料的能量密度与循环寿命难以兼顾。传统钴钼氧化物（CoMoO₄）虽具备丰富的氧化还原活性，却因导电性差和充放电过程中的体积膨胀问题，导致实际应用受限。如何通过原子级调控提升其性能，成为材料科学领域的关键挑战。

针对这一难题，安阳工学院的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表了一项突破性研究。他们创新性地采用水热合成技术，在钴钼氧化物的钼（Mo）位点引入铁（Fe）、铬（Cr）等过渡金属元素，构建了具有分胞状特殊形貌的CoMo_1-yX_yO₄·(H₂O)_0.75材料体系。通过系统的电化学测试与微观结构表征，发现3% Cr掺杂样品展现出19.86 F/cm²的超高面积比电容，且晶体结构稳定性显著优于未掺杂材料。这一成果不仅揭示了过渡金属掺杂对材料电子结构的调控机制，更为设计下一代高性能储能器件提供了理论依据与实践范本。

关键技术方法
研究采用水热法在泡沫镍基底上原位生长掺杂材料，通过控制金属盐前驱体比例实现精准掺杂。利用扫描电镜（SEM）观察材料的分胞状多瓣结构与棒状形貌，结合X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析晶体结构与元素价态。电化学性能测试采用三电极体系，通过循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD）评估比电容与循环稳定性。

研究结果

1. 材料制备与形貌特征
   SEM显示掺杂材料呈现棒状主结构与分胞状次级结构，EDS证实Co、Mo、O在棒状结构中均匀分布，而分胞状区域以Mo-O成分为主。这种特殊形貌增大了电解质接触面积，有利于电荷传输。

2. 电化学性能优化
   在0.001 A/cm²电流密度下，CoMo_0.97Cr_0.03O₄·(H₂O)_0.75的比电容达19.86 F/cm²，较未掺杂样品提升约40%。Fe、Cr的+3价态与Mo⁶⁺的相似离子半径（<0.1 ?差异）有效维持晶格完整性，同时通过诱导局部应变优化电子传导路径。

3. 结构稳定性机制
   XRD与Raman光谱证实掺杂未改变材料单斜晶系主体结构，但晶格参数微调（Δd < 0.02 nm）。这种"晶格微应变效应"既保留了CoMoO₄的本征特性，又通过缺陷工程增强了结构稳定性。

结论与意义
该研究开创性地证明了过渡金属掺杂可同步提升钴钼氧化物的电容性能与结构稳定性。特别值得注意的是，Cr³⁺的3d³电子构型与Mo⁶⁺的4d⁰形成电子补偿效应，有效抑制了循环过程中的Jahn-Teller畸变。这种"电子-晶格协同调控"策略为开发兼具高能量密度和长循环寿命的电极材料指明了方向。未来研究可进一步探索稀土元素掺杂对材料磁电耦合性能的影响，推动超级电容器在新能源汽车、智能电网等领域的产业化应用。