华中科技大学张智副教授CEJ：异质结构助力磷化钴/磷化亚铜用于高性能超级电容器- 大数跨境

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华中科技大学张智副教授CEJ：异质结构助力磷化钴/磷化亚铜用于高性能超级电容器

科学材料站

2022-02-26

导读：该观点文章展示了一种简单有效的磷化处理策略来制备CoP/Cu3P异质结复合结构，并应用到超级电容器。

文章信息

第一作者：刘伟峰，高寒箫

通讯作者：张智*

单位：华中科技大学

研究背景

磷是一种多价非金属元素，是配位化学中最有用的施主原子之一。同时，磷的电负性小，化学键的键能低；当金属和磷元素结合时，除了形成金属-磷键外，还含有金属-金属键和磷-磷键，使得部分金属磷化物自身具有类金属的优越导电特性。相对于其他的过渡金属磷化物，钴基磷化物具有更高的理论容量（~5360 F g^-1）。然而，在实际的电化学测试中，磷化钴的性能表现却不尽人意。

文章简介

基于此，华中科技大学张智副教授（高义华教授团队），在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“CoP/Cu₃P heterostructured nanoplates for high-rate supercapacitor electrodes”的观点文章。

该观点文章展示了一种简单有效的磷化处理策略来制备CoP/Cu₃P异质结复合结构，并应用到超级电容器。CoP的高本征导电性有利于电子的快速传输；引入适量Cu₃P并形成异质结，进一步降低了化学反应活化能，加速了界面电荷分离和电子传递动力。上述协同作用确保了该材料可同时表现出优异的比容量和倍率性能。本研究结果对具有高容量和高倍率性能磷化电极材料的设计和合成具有一定的指导意义。

本文要点

要点一：合成与表征

通过“水热+磷化”两步法制备了CoP/Cu₃P异质结构电极材料。通过XRD可以观察到两物质分别对应的衍射峰，以及结晶度较低的特征。此外，通过XPS对其元素和价态进行了分析，通过SEM和TEM对其形貌和微观结构进行了详细表征。

图1. CoP/Cu₃P的制备以及XRD、XPS和EDS表征。

图2. (a-c) CoP/Cu₃P在不同放大率下的SEM图；CoP/Cu₃P纳米片的(d) TEM图， (e) SAED图，(f) HRTEM图像和 (g)元素 mapping图像。

要点二：性能

电化学测试结果表明，与金属氧化物（CoO/Cu₂O）和单独CoP相比，CoP/Cu₃P电极表现出增强的电化学性能。通过EIS分析也可以看出，CoP/Cu₃P具有较低的电荷转移电阻和增强的反应动力学。CoP/Cu₃P电极在电流密度为1.0 A g^-1时的质量比容量达734.2 F g^-1，当电流密度为20.0 A g^-1时，容量保持71.8%；即使增加到50.0 A g^-1时，容量仍保持53.2%，优于绝大部分报道的过渡金属氧化物和磷化物。

图3. 电化学性能测试表征。

要点三：机理

通过对氧化物和磷化物电极材料的电容控制行为和扩散控制行为分析和计算表明，磷化物与氧化物表现出了不同的电荷存储机制。磷化物的b值接近于0.80，以电容型电荷储存行为为主，这与其电化学测试CV曲线结果相一致，即磷化物在整个电压范围内均有电流贡献，而氧化物电流贡献主要集中在氧化还原峰的位置。

图四：电化学过程储能机理（a-c）和容量占比（d-f）分析。

要点四：理论计算

通过理论计算表明， CoP及其异质结构CoP/Cu₃P在费米能级上均表现出连续的电子占据态，印证了CoP具有优异的导电性，表现出了类金属特性。此外，引入Cu₃P形成异质结构后，CoP/Cu₃P在费米能级附近的杂质能级更高，本征电导率进一步得到了提高。与原始CoP相比，CoP/Cu₃P中的Co离子态密度明显增加，表明有更多的电荷载流子参与到了电化学反应中。

图5. CoO/Cu₂O、CoP和CoP/Cu₃P的结构表征及电子结构DFT计算。

文章链接

CoP/Cu₃P heterostructured nanoplates for high-rate supercapacitor electrodes

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135352

通讯作者简介

高义华 教授

团队负责人、华中科技大学二级教授、博士生导师、华中学者特聘教授,、物理学院 & 武汉光电国家研究中心的双聘教授。高义华教授在电能存储、光发射与光力热探测等方面的微纳尺度结构器件研究中取得了一系列突出进展。共获得美国专利2项，日本专利6项，中国专利11项。2005年9月荣获日本的“Tsukuba Prize”（筑波杰出科学家奖）。共发表的183篇SCI文章中，第一作者或通讯作者文章有119篇，其中37篇发表在Nature；Nat. Commun.; Adv. Mater.; Adv. Funct. Mater.; Nano Energy; Nano Lett.; ACS Nano等权威期刊上。作为导师，个人名下已培养3名博士后，25名博士和41名硕士。作为团队负责人（共6名老师成员），团队内共培养3名博士后，32名博士和69名硕士。2015年荣获学校的“三育人奖”。

张智副教授

华中科技大学物理学院副教授、博士生导师、湖北省楚天学子。张智副教授一直以电子显微镜为研究平台，围绕功能纳米材料的显微结构、纳米材料结构与性能的动态关联，以及储能材料与器件开展基础科学研究。在透射电镜及原位透射电镜研究方面有良好的科研积累，并取得了优良成果，已在国内和国际SCI期刊上发表学术论文70余篇，以第一作者或通讯作者在Nano Letters, ACS Nano, Nano Energy, Energy Storage Materials，Nano-Micro Letters, Small Methods等高水平学术期刊发表学术论文30余篇。

第一作者简介

刘伟峰 华中科技大学博士研究生

主要研究领域：超级电容器电极材料的设计、制备与性能研究。以第一作者在Nano-Micro Letters, Chemical Engineering Journal，Journal of Materials Chemistry A， Journal of Power Sources等期刊上发表多篇SCI论文.