青岛科技大学聂广明CEJ研究论文：单原子钴掺杂协同聚(5-醛基吲哚)（P5FIn）制备高性能电致变色超级电容器

第一作者：张峻德

通讯作者：聂广明*

单位：青岛科技大学

电致变色超级电容器（EC-SC）能借颜色变化实时反馈储能状态，在智能窗口、可穿戴电子领域潜力巨大。它集成了能量存储与智能光调制功能，但当前技术难以兼顾高电致变色效率和高储能容量。比如典型材料过渡金属氧化物中，虽有可逆氧化还原行为与高理论电容，可导电性欠佳、变色能力有限，致使传统EC-SC设备的实际应用困难重重。

近日，青岛科技大学聂广明教授提出单原子钴掺杂协同聚(5-醛基吲哚)（P5FIn）耦合策略，成功开发出高性能电致变色超级电容器材料P5FIn/Co-V₂O_5-x。这种电致变色超级电容器（EC-SC）能够通过颜色变化实时反馈储能状态，在智能窗口和可穿戴电子领域展现出巨大潜力。该工作以“Co Single-atom doped V₂O_5-x coupled with poly(5-formylindole) for high-performance electrochromic supercapacitor”为题发表于《Chemical Engineering Journal》。其构建的EC-SC具有高比电容（241.1 mF cm^-2）、实用功率密度和容量密度（1.7 W cm^-2和133.94 mWh cm^-2），显著的光学对比度（ΔT980 nm=71%）、高着色效率（156.4 cm² C^-1）、快速切换（显色/漂白为4.2 s/4.2 s，红绿黄切换）和长期稳定性（>9000次循环）。解决了传统电致变色超级电容器（EC-SC）的颜色单一、响应迟滞和导电性差等瓶颈问题。该材料在电容、光学调制和循环稳定性方面表现卓越，为下一代智能设备提供了可靠解决方案。

为突破瓶颈，研究团队采用“三重协同”策略：使用VOSO₄·xH₂O在清洁的ITO基板上电沉积V₂O_5-x层。然后将制备的薄膜浸入Co(NO₃)₂中引入Co物种，然后进行干燥和煅烧，以促进Co-V₂O_5-x结构的形成、V-O骨架的配位环境和Co原子的掺杂。这将提高电子导电性和结构稳定性。将两个P5FIn/Co-V₂O_5-x夹在凝胶电解质中构建EC-SC。引入单原子Co优化了V₂O_5-x的电子结构，提高了电导率，稳定了V-O骨架。用导电P5FIn进行表面改性进一步改善了电荷传输和离子扩散，P5FIn聚合物外壳包覆的Co-V₂O_5-x核心还可以物理隔离电解质，降低单原子聚集和脱落的风险，进一步保护活性位点，提高稳定性。这些协同效应导致电致变色和电容性能的增强。与传统的聚合物/氧化物或缺陷聚合物系统不同，这种的设计建立了一种三重协同策略，其中锚定在Ov上的Co单原子充当氧化还原活性中心，而共轭P5FIn层在V2O5框架上形成连续的电子通路以及保护层。这种协同作用显著加速了离子/电子传输和着色动力学，同时增强了结构稳定性。

P5FIn/Co-V₂O_5-x复合薄膜展现出独特的多级结构：SEM和TEM显示，Co掺杂使原始致密V₂O_5-x表面重构为纳米球形域，P5FIn涂层则形成互连多孔框架，厚度约786 nm。这种结构大幅提升比表面积和离子可及位点。高分辨率TEM证实晶格条纹间距0.697 nm和0.743 nm，对应V₂O₅的(005)和(110)晶面。AC-HAADF-STEM图像中，孤立亮斑表明Co原子在V₂O_5-x晶格中均匀分散，EDX映射验证了V、O、Co、C、N元素的均匀分布。

FT-IR和拉曼光谱显示，Co掺杂导致V-O-V伸缩带红移（580 cm^-1 - 565 cm^-1），而P5FIn修饰使其部分恢复（587 cm^-1），表明聚合物与氧化物框架的化学相互作用。XPS分析进一步证实：V 2p谱显示V⁵⁺和V⁴⁺混合价态，Co 2p谱揭示Co²⁺/Co³⁺信号，N 1s区域检测到吡啶氮和Co-N键，说明P5FIn通过醛基与氧空位形成氢键和配位键，增强界面稳定性。EPR测试表明氧空位浓度显著提升，加速离子嵌入/脱出动力学。

基于P5FIn/Co-V₂O_5-x薄膜组装的对称EC-SC器件在0-2.0 V窗口下工作。该器件具有高面积电容（241.1 mF cm^-2 at 1 mA cm^-2），能量密度和功率密度分别达133.94 mWh cm^-2和1.7 W cm^-2。EC-SC器件在0-2.0 V区间内在黄绿红三色来回切换，在980 nm波长处着色/褪色时间为4.2 s/4.2 s，而且有着优异的透过率（71.1%），着色效率最高156.4 cm² C^-1。

P5FIn/Co-V₂O_5-x复合材料制备的EC-SC器件在9000次充放电循环后电容保持92.1%，且能同步实现储能状态可视化。实际演示中，串联器件成功点亮LED灯，验证其在可穿戴电子中的实用性。同时，器件在不同温度下也表现出良好的稳定性，能够用支持不同场景下使用。

综上所述，该工作通过单原子Co掺杂、氧空位调控和聚合物功能化的协同设计，实现了EC-SC器件在光学对比度、响应速度和循环稳定性方面的突破。在充电/放电过程中通过可逆的颜色变化实现能量存储状态的可视化，为智能窗口、自适应照明系统提供了新思路。单原子掺杂制备高性能的电致变色超级电容器的策略，可扩展至其他金属氧化物体系，并推动多功能EC-SC的商业化。