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高鹏助理教授在超级电容器领域取得系列研究进展

发布者：发布时间：2022-05-06浏览量：次

超级电容器作为高效大规模储能系统因其具有长循环寿命、低成本和高功率密度等优点而备受关注，活性材料主要决定超级电容器的电化学性能，利用具有电池型电化学储能行为的钴基氧化物/氢氧化物以及插层赝电容材料VO₂(B)构筑电活性物质，对提升其能量密度至关重要。

近日，高鹏助理教授在《Advanced Energy Materials》（IF=29.368）上发表题为“Covalency Competition Induced Active Octahedral Sites in Spinel Cobaltites for Enhanced Pseudocapacitive Charge Storage”的研究论文。该工作利用同步辐射吸收谱、原位拉曼、理论计算和电化学分析等方法，详细阐明了钴基尖晶石材料中金属离子在四面体和八面体间隙的分布规律，为在原子尺度上理解尖晶石材料中的活性位点来源及其分布规律对赝电容特性的影响具有十分重要的意义。湖南大学2018级硕士研究生唐培、助理教授高鹏和南京工业大学研究生崔学浩为本文共同第一作者，湖南大学刘继磊教授和南京工业大学闫家旭教授为本文共同通讯作者。

图1 钴基尖晶石材料的（a-c）EXAFS图谱对比结果，（d-f）第一性原理计算（pCOHP曲线），（g-h）MnCo₂O₄在充放电过程中的原位拉曼图谱，以及（i）比容量对比。

通过在泡沫镍基底上构筑具有三明治结构的Co₃O₄/Co(OH)₂异质结，利用二者的协同作用，获得了具有高比容量、优异倍率性能和循环稳定性的自支撑电极。采用系列原位和半原位表征手段，进一步探究了充放电过程中Co(OH)₂的相转变规律，发现Co(OH)₂在首次充电过程中不可逆转变为CoOOH，并在随后的充放电过程中可逆转变为CoO₂，表明Co(OH)₂存在不同于目前普遍认为的相转变机制。此项工作以“Understanding the Synergistic Effects and Structural Evolution of Co(OH)₂and Co₃O₄ toward Boosting Electrochemical Charge Storage”为题发表在《Advanced Functional Materials》（IF=18.808）上。高鹏助理教授为本文第一作者，刘继磊教授和胡爱平教授为本文共同通讯作者。

图2 基于界面调控策略优化Co₃O₄/Co(OH)₂异质结的比容量、倍率性能和循环稳定性，及其充放电过程中的相转变机制研究。

层状VO₂(B)是极具潜力的插层赝电容电极材料，但多价金属离子在VO₂(B)中的嵌入机制仍不清晰。近日，高鹏助理教授在《Journal of Materials Chemistry A》（IF=12.732）上发表题为“Mechanistic insights into the pseudocapacitive performance of bronze-type vanadium dioxide with mono/multi-valent cations intercalation”的研究论文。通过系列结构/谱学表征，结合理论计算和电化学分析，详细探究了Na⁺，Mg²⁺，Zn²⁺和Al³⁺离子在VO₂(B)中的嵌/脱行为及其关键影响因素，为VO₂(B)的结构调控和储能性能优化提供了重要理论依据和实验支撑。湖南大学2019级硕士研究生曾迎和博士研究生胡坚为本文共同第一作者，高鹏助理教授、刘继磊教授和上海硅酸盐研究所董洪亮研究员为本文共同通讯作者，郭坤琨教授为本文提供理论计算指导。

图3 Na⁺，Mg²⁺，Zn²⁺和Al³⁺离子在VO₂(B)中的嵌/脱机制示意图。

另外，高鹏助理教授基于前期研究工作，在《Advanced Energy Materials》（IF=29.368）发表题为“The Role of Cation Vacancies in Electrode Materials for Enhanced Electrochemical Energy Storage: Synthesis, Advanced Characterization, and Fundamentals”的综述论文。该论文从引入阳离子空位的主要途径出发，结合丰富的先进表征方法和理论计算模拟，深入探讨并系统总结了阳离子空位的形成机理及其对过渡金属氧化物/碳化物电化学特性影响机制，并展望了阳离子空位储能未来的研究方向和发展趋势。高鹏助理教授为论文的第一作者，德国赫姆霍兹研究所的陈桢博士为该论文的共同第一作者，刘继磊教授为通讯作者。