氧空位调控Co3O4纳米棒用于3D打印微型超级电容器的创新研究

为解决微型电子器件对高能量密度、可定制化储能器件的需求，研究人员通过NaBH4溶液还原法构建富含氧空位（OVs）的Co3O4纳米棒，与氧化石墨烯（GO）复合制备3D打印墨水，开发出高性能微型超级电容器（MSC）。该器件在1 mA cm?2电流密度下实现715.6 mF cm?2的高面积比容量，10,000次循环后容量保持率达92.5%，能量密度达254.4 μWh cm?2，为可穿戴电子提供了革新性解决方案。

　　

随着物联网和可穿戴设备的快速发展，微型储能器件的性能瓶颈日益凸显。传统微型超级电容器（MSC）受限于电极材料导电性差、活性位点不足等问题，难以兼顾高能量密度和快速充放电特性。与此同时，3D打印技术为定制化电极设计提供了新思路，但功能性墨水的开发仍是关键挑战。

山西大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，提出通过氧空位（OVs）工程调控Co₃O₄电子结构，结合3D打印技术制备高性能MSC。研究采用水热法合成Co₃O₄纳米棒，通过NaBH₄溶液还原引入可控氧空位，显著提升材料电导率和反应活性。将OV-Co₃O₄与GO复合制成无添加剂墨水，利用直接墨水书写（DIW）技术构建三维多孔电极，最终实现兼具高容量和长循环稳定性的柔性MSC器件。

关键技术包括：1）NaBH₄浓度梯度还原法调控氧空位密度；2）GO/OV-Co₃O₄复合墨水的流变学优化；3）3D打印参数（压力30-60 psi，速度3-5 mm s^?1）精确控制；4）三电极体系电化学性能测试。

Result and discussion
通过XPS和Raman证实0.5 M NaBH₄处理的样品（0.5-OV-Co₃O₄）具有最优氧空位浓度，比表面积达187 m² g^?1。电化学测试显示其比容量达1531F g^?1（1 A g^?1），较未处理样品提升2.3倍。3D打印的MSC器件在800 μW cm^?2功率密度下能量密度达254.4 μWh cm^?2，优于多数文献报道的MOF基器件。

Conclusion
该研究通过简易化学还原法实现Co₃O₄电子结构精准调控，氧空位不仅增加活性位点，还促进电荷传输动力学。3D打印技术赋予电极三维互联孔隙结构，有效解决厚电极离子扩散难题。这项工作为开发下一代柔性电子产品提供了材料-工艺协同创新范式。

重要意义
1）提出“氧空位浓度-电化学性能”定量关系模型；2）首创无添加剂GO/OV-Co₃O₄墨水体系；3）验证3D打印技术在微型储能器件中的规模化应用潜力。研究成果对推动个性化医疗电子、智能纺织品等新兴领域具有重要价值。