CEJ：分子修饰磷化钴/多孔石墨烯异质结构用于高性能电容材料- 大数跨境

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CEJ：分子修饰磷化钴/多孔石墨烯异质结构用于高性能电容材料

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2025-05-12

导读：该研究首先采用具有高导电性和丰富孔道结构的多孔石墨烯（HG）作为生长磷化钴（CoP）的基底，并使用酞菁钴（CoPc）分子通过强π-π相互作用修饰HG，以抑制HG的层堆叠并促进离子/电荷转移。

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文章信息

分子修饰磷化钴/多孔石墨烯异质结构用于高性能电容材料

第一作者：陈伟

通讯作者：付民*，吕瑞涛*，李楠*，潘建明*

单位：山东科技大学，清华大学，北京理工大学，江苏大学

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研究背景

过渡金属基电极在储能方面很有吸引力，但存在循环性能差、电化学表现不理想等诸多问题。因此，如何改善过渡金属基电极材料的离子扩散和电荷转移动力学缓慢的问题至关重要。课题组前期工作（Advanced Materials, 2023, 35, 2300940；Small, 2024, 2312151；Small, 2021, 17(1), 2004827）开发了一系列不同结构的金属化合物电极材料，研究表明材料结构调控在提升电化学表现方面扮演着关键角色。

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文章简介

基于此，来自山东科技大学陈伟，清华大学吕瑞涛，北京理工大学李楠与江苏大学的潘建明合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Cobalt Phthalocyanine Modified Holey Graphene/Cobalt Phosphide for Supercapacitor Electrodes”的研究型文章。

该研究首先采用具有高导电性和丰富孔道结构的多孔石墨烯（HG）作为生长磷化钴（CoP）的基底，并使用酞菁钴（CoPc）分子通过强π-π相互作用修饰HG，以抑制HG的层堆叠并促进离子/电荷转移。HG可以在充电/放电过程中提供足够的离子/电荷转移通道。此外，对HG进行CoPc改性不仅可以阻碍其自聚集，还可以优化电荷分布并促进电荷转移。密度泛函理论计算表明，CoP/HG/CoPc具有很强的离子吸附和快速的电荷输运。受益于改进的离子扩散和电荷转移特性，所合成的CoP/HG/CoPc复合电极材料表现出优异的电容性能（1 A g^-1的电流密度下比电容高达970.8 F g^-1，非对称超级电容器在726.4 W kg^-1的功率密度时表现出47.1 Wh kg^-1的能量密度，1万圈循环后电容保持率为87.7%）。该工作为高性能超级电容器电极材料的设计提供了新的思路。

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本文要点

要点一：异质结构的构建

HGO是由GO通过过氧化氢的造孔作用制备的，过氧化氢用于通过水热反应生长Co（OH）₂。使用次磷酸钠作为磷源对Co（OH）₂/HGO杂化物进行磷化，同时发生HGO的还原，产生CoP/HG杂化物。随后，合成的CoP/HG杂化物通过π-π相互作用与CoPc官能化，获得CoP/HG/CoPc异质结构。CoPc和HG的平面共轭结构促进了它们的紧密堆积。

图1. CoP/HG/CoPc合成示意图。

图2. 不同材料的扫描电镜及元素分布。

图3. 不同材料的XRD和XPS对比。

要点二：电荷/离子传输特性的强化

传统块体材料通常存在活性位点不足和离子传输迟缓等弊端。本研究构建的异质结构，能够提供大量的接触面积，充分释放活性位点，加快电荷/离子传输。得益于磷化钴、高导电多孔石墨烯和共轭结构的酞菁之间的协同作用，所合成的复合电极材料表现出优异的超级电容性能。电化学性能测试表征证实了这种异质结构在强化电荷/离子传输特性方面独特的优势。

图3. 三种电极的性能对比。

图4. CoP/HG/CoPc电极的优化结构、吸附能、态密度及差分电荷密度。

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文章链接

Cobalt Phthalocyanine Modified Holey Graphene/Cobalt Phosphide for Supercapacitor Electrodes

DOI: https://authors.elsevier.com/a/1l2Sa4x7R2o3vM

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通讯作者简介

付民副教授简介：山东科技大学储能技术学院副教授，硕士生导师，主要从事储能及分离吸附等方面的研究工作。主持国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金创新发展联合基金项目、山东省重点研发项目、山东省自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金青年项目等。以第一或通讯作者在Advanced Materials，Small, Journal of Materials Chemistry A和Chemical Engineering Journal等期刊发表60余篇研究论文，其中高被引8篇，热点2篇，h因子34，连续三年（2022、2023、2024）入选全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists）。担任教育部学位中心论文评审专家、全国本科毕业论文抽检专家、山东省省创项目评审专家、青岛市专业技术人才评审专家和聊城市绿色化工产业科技专家，担任J. Renew. Mater.的客座编辑、Information Funct. Mater.、CleanMat、Exploration、Carbon Neutralization、稀有金属和盐湖研究的编委/青年编委。

吕瑞涛教授简介：现为清华大学材料学院副院长，博士生导师，主要从事碳基材料缺陷设计及性能调控研究，侧重于晶格缺陷的可控构筑、原子级构型可视化解析以及在清洁能源和分子探测等领域的应用。在Science、PNAS、Adv. Mater.等期刊上发表SCI收录论文130多篇，担任Nature Nanotechnol., Adv. Mater., JACS等60多个国际期刊的学术审稿人。主持国家自然科学基金项目4项，中国航空工业集团公司委托项目2项，参加国家重点基础研究发展计划项目2项。曾获英国炭素学会Brian Kelly Award和国家优秀青年科学基金项目资助。

潘建明教授简介：博士生导师，国家优秀青年基金获得者，江苏大学化学化工学院院长，中国化工学会分子辨识分离工程专委会委员、过程强化专委会青年委员、《盐湖研究》青年编委。长期从事液滴反应器构筑吸附材料、分子印迹强化辨识分离的研究，共发表第一/通讯作者SCI论文150余篇（影响因子大于10的70余篇，ESI 高被引论文12篇）；授权中国发明专利（第一发明人）30余项（转让16项），PCT专利授权3项；主持国家自然科学基金7项（国家优秀青年基金1项、区域联合重点项目1项）、江苏省重点研发项目等省部级项目13项；科研成果获得江苏省科技进步二等奖1项（第一）、中国石油与化学工业联合会科技进步二等奖1项（第一）；主编专著《分子印迹技术及其研究进展》、《现代分子印迹辨识技术》和研究生教材《分离科学与技术》。近年来，先后获评/入选江苏省优秀博士论文、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省“333”工程培养对象、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、中国化工学会侯德榜化工青年奖、江苏省科技副总等称号。

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第一作者简介

陈伟简介：山东科技大学化学与生物工程学院副教授，硕士生导师，主要从事分子辨识分离材料的研究工作。近年来以第一或通讯作者在Chemical Society Reviews，Small，Biosensors and Bioelectronics，Journal of Materials Chemistry A，Chemical Engineering Journal等期刊发表SCI论文40余篇，授权发明专利1项，编撰学术专著《Theranostic Bionanomaterials》第五章：Synthetic receptors with bioaffinity for biomedical applications。主持国家自然科学基金和山东省自然科学基金各一项。