三维石墨烯组装锡钴氧化物异质结与生物质衍生多孔碳构建高能量密度混合超级电容器

为解决金属氧化物(MOs)导电性差、体积膨胀不可控等问题，研究人员开发了3DG/SnO2-Co3O4异质结阴极与Fe3O4@SBC生物碳阳极，构建的准固态器件实现26 Wh kg-1能量密度和86.3%循环稳定性，为高能超级电容器设计提供新思路。

　　

在能源存储领域，超级电容器(SCs)因其高功率密度和超长循环寿命备受瞩目，但能量密度低(<10 Wh kg^-1)的瓶颈严重制约其实际应用。金属氧化物(MOs)虽具有高理论容量，却面临导电性差、纳米尺度体积膨胀和颗粒团聚三大难题。尽管MO/碳复合材料能通过协同效应提升性能，但如何同时构建高导电网络和稳定异质界面仍是巨大挑战。更棘手的是，传统合成方法步骤繁琐，且异质界面在循环过程中易因体积效应而失效。与此同时，生物质废弃物的资源化利用也亟待突破——全球每年产生约18亿吨甘蔗渣，若转化为电极材料既能降低成本又能实现"变废为宝"。

针对这些关键问题，上海某高校的研究团队创新性地设计出三维石墨烯(3DG)支撑的SnO₂-Co₃O₄立方体异质结与Fe₃O₄修饰甘蔗渣碳(Fe₃O₄@SBC)的混合超级电容器系统。这项突破性成果发表在《Journal of Energy Storage》上，通过能带工程和结构设计双重创新，实现了能量密度与循环稳定性的协同提升。

研究采用共沉淀-冷冻模板联用技术构建3DG/SnO₂-Co₃O₄，通过CoSn(OH)₆前驱体拓扑转化形成异质结；同时以甘蔗渣为原料，经铁盐浸渍-碳化制备Fe₃O₄@SBC阳极。电化学测试采用三电极体系和准固态器件评估，结合XRD、SEM、BET等多维度表征手段。

【Morphological and structural characterization of 3DG/SnO₂-Co₃O₄】
立方体SnO₂-Co₃O₄异质结均匀锚定在3DG骨架上，内部空隙有效缓冲体积变化。能谱分析证实Sn⁴⁺/Co²⁺能带对齐形成内置电场，使电荷转移速率提升3.2倍。3DG的sp²共轭网络将电极电阻降至1.8 Ω。

【Electrochemical performance】
阴极在1 A g^-1下展现581.27 F g^-1比容量，10,000次循环后保持86.3%容量。阳极通过双电层/赝电容耦合机制实现108.7 F g^-1比容量，BET比表面积达311.4 m² g^-1。组装的准固态器件在PVA/KOH凝胶电解质中实现26 Wh kg^-1能量密度(750 W kg^-1功率密度)，性能优于已报道的Co₃O₄基器件。

【Conclusions】
该研究通过前驱体拓扑转化策略成功构建了具有多级孔道的3DG/SnO₂-Co₃O₄异质结，其创新性体现在：(1) SnO₂-Co₃O₄能带匹配产生的内置电场加速电荷传输；(2) 3DG网络同时解决导电性和体积膨胀问题；(3) 农业废弃物衍生的Fe₃O₄@SBC实现资源循环利用。这项工作不仅为高能量密度超级电容器设计提供了新思路，更开创了"农业废弃物-能源材料"的绿色转化范式，在推动碳中和目标实现方面具有双重环保意义。特别值得注意的是，该研究采用的共沉淀-冷冻模板法具有工艺简单、易于放大的优势，为MO/碳复合材料的工业化生产提供了技术参考。