《Journal of Energy Storage》：Eu-modulated electronic structure of cobalt oxide for high-performance self-supporting supercapacitor cathodes
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摘要本研究通过掺杂铕元素显著提升了氧化钴的电化学性能。采用溶热法结合退火处理，成功制备出了纳米针状掺铕钴酸钴(ECO)材料。在1 A g?1的电流密度下，ECO的比电容可达1496 F g?1，这一数值高于未掺杂的钴酸钴。通过像差校正扫描透射电子显微镜分析，确认铕已成功融入晶体晶
摘要
本研究通过掺杂铕元素显著提升了氧化钴的电化学性能。采用溶热法结合退火处理，成功制备出了纳米针状掺铕钴酸钴(ECO)材料。在1 A g?1的电流密度下，ECO的比电容可达1496 F g?1，这一数值高于未掺杂的钴酸钴。通过像差校正扫描透射电子显微镜分析，确认铕已成功融入晶体晶格中。密度泛函理论计算表明，铕的掺杂缩小了能隙，从而提升了材料的电导率和反应动力学性能。基于该材料的不对称超级电容器在750 W k?1的功率密度下仍能保持47.5 Wh k?1的能量密度，且在经过10,000次循环后其电容仍保持在初始值的91.2%左右。这些结果充分体现了ECO作为高性能超级电容器电极材料的巨大潜力。
引言
超级电容器作为一种高性能能量存储器件，因其极高的功率密度以及快速的充放电能力而备受关注[1]、[2]、[3]。这类器件主要分为两大类：电双层电容器和伪电容[4]、[5]。电双层电容器通过电极与电解质界面上的离子吸附与脱附来储存能量，而伪电容则利用电极材料的法拉第氧化还原反应来实现更高的能量密度。由于独特的工作原理，伪电容已成为当前研究的热点，具有广泛的应用前景[6]。
在伪电容材料中，氧化钴因其极高的理论比电容而备受重视，这使其成为先进能量存储系统中的理想候选材料[7]、[8]。然而，尽管其比电容表现优异，但由于其本征的离子导电性和电子导电性较低，限制了其在实际应用中的发挥[7]、[9]。这一缺陷严重影响了超级电容器的整体性能，尤其是在电荷传输效率和功率密度方面。
为克服这些难题并充分发挥氧化钴的潜力，人们提出了多种解决方案[10]。一种有效的策略是将氧化钴与石墨烯或碳纳米管等碳材料结合使用，这样可以显著提升复合材料的电子导电性和结构稳定性[11]、[12]、[13]、[14]。此外，通过控制材料形态，如制备纳米粒子、纳米棒和纳米片等结构，也有助于加快离子传输速度并增加电极与电解质的接触面积[15]、[16]、[17]。再者，通过掺入其他元素，如过渡金属或非金属，也能有效改变氧化钴的电子结构，进而提升其导电性和电化学性能[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。另一种有前景的策略是与其他金属氧化物共同形成复合材料[25]、[26]、[27]，通过整合多种成分的优势特性，可进一步提升材料的整体性能。
稀土金属中4f轨道的独特占据方式使得它们具有多种价态和自旋构型，因此具备出色的磁性、催化活性以及光电转换效率[28]、[29]。一些研究人员巧妙地利用稀土元素来精确调控电子构型，从而大幅增强材料的电化学储能能力[30]、[31]、[32]。
本研究通过简单的溶热法结合后续退火处理，成功制备出了纳米针状的掺铕钴酸钴(ECO)材料。溶热法有助于精确控制前驱体的形成过程，从而得到针状结构，这类结构能够减少离子扩散路径并增加表面活性位点，进而提升电化学性能。通过像差校正扫描透射电子显微镜分析确认了铕已融入氧化钴晶格中，而密度泛函理论计算则显示了铕掺杂对材料电子结构的调控作用。最终得到的ECO纳米针在1 A g?1的电流密度下仍能保持1496 F g?1的比电容。为评估该材料的实际应用潜力，研究人员用ECO作为正极，氮掺杂活性炭作为负极，组装了相应的不对称超级电容器。该电容器在750 W k?1的功率密度下仍能保持47.5 Wh k?1的能量密度，且在经过10,000次循环后其电容仍保持在初始值的91.2%左右。这些结果充分证明了该材料适用于实际的能量存储应用。
内容片段
化学品
镍泡沫支撑碳布由台湾CeTech有限公司提供。氮掺杂活性炭则购自XFNANO有限公司。六水合硝酸铕（纯度超过99.5%）来自上海阿拉丁生化科技有限公司，而六水合硝酸钴（纯度大于99.0%）、氟化铵（纯度大于99.0%）、无水乙醇（纯度大于99.5%）以及丙酮（纯度大于99.5%）则由上海麦克林生化有限公司提供。尿素为分析级产品，
结果与讨论
图1展示了未掺杂钴酸钴和掺铕氧化钴的XRD图谱。两种样品的所有特征衍射峰都与标准的尖晶石型钴酸钴（PDF#42-1467）极为吻合，这表明在掺入铕元素后，成功获得了无杂质相的纯相尖晶石型氧化钴。与未掺杂的钴酸钴相比，掺铕后的样品衍射峰强度明显减弱，峰宽也有所增加，这说明
结论
在本研究中，通过液相法结合后续退火处理，成功制备出了纳米针状的ECO电极材料。像差校正扫描透射电子显微镜分析证实，铕已成功掺入钴酸钴晶格中，且并未改变其尖晶石结构。电化学测试结果显示，ECO电极具有出色的伪电容性能，在1
作者贡献说明
胡杰：负责原文撰写、可视化处理、资源准备、项目管理、方法设计、实验研究以及资金申请工作。吴江宇：负责原文撰写、正式分析以及数据整理工作。陈洪敏：参与方法设计及实验研究工作。杜晓琴：同样参与方法设计及实验研究工作。陈静霞：负责实验研究工作。李红：也参与了实验研究工作。邓宇：负责文章的审阅与编辑工作，同时还承担监督职责。
作者声明
所有作者均参与了本研究的构思、实验实施、数据分析以及论文撰写工作，且所有人都认可最终提交的版本。在论文的英文表达优化和语法修正方面，仅使用了人工智能工具，而所有的实验、测试数据以及研究结论均为作者们独立完成并验证的。如需获取原始实验数据，可联系相应作者。
利益冲突声明
所有作者声明不存在任何利益冲突。本研究是完全独立开展的，文中呈现的所有数据与结论均基于科学证据和客观分析。各位作者均未与任何可能影响研究结果的个人或机构存在任何财务或私人关系。
致谢
本研究得到了中国重庆市教育委员会科技研究计划一般项目[项目编号KJQN202204502]以及重庆化工职业技术学院校级科研项目的支持[项目编号HZY2025-KJZD05]。
Jie Hu|Jiangyu Wu|HongMin Chen|Xiaoqin Du|Jingxia Chen|Hong Li|Yu Deng|Jianghua Wu
中国重庆市重庆化工职业技术学院环境与质量检测系，邮编401228
