异质结工程构筑ZIF衍生Co3 O4 /Bi2 O3 核壳材料提升非对称超级电容器性能

　　为解决Bi2 O3 材料体积膨胀大、反应动力学慢等问题，研究人员通过ZIF67衍生Co3 O4 与Bi2 O3 构建异质结核壳结构，获得1190.8 F g?1 的高比电容和55.8 Wh kg?1 的能量密度，为高性能电极设计提供新思路。

　　

随着全球能源危机和环境问题日益严峻，风能、太阳能等可再生能源的间歇性缺陷催生了对高效储能技术的迫切需求。超级电容器（Supercapacitors）因其快速充放电、长循环寿命等优势成为研究热点，但能量密度低始终是制约其发展的瓶颈。金属氧化物如Bi₂
O₃
虽具有3800 mAh cm^?3
的高理论容量，却面临体积膨胀、导电性差等挑战。如何通过材料设计突破这些限制，成为学界攻坚的关键问题。

山西的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，创新性地将金属有机框架（MOF）衍生的Co₃
O₄
与Bi₂
O₃
复合，构建出具有多孔核壳结构的异质结材料ZIF67-Co₃
O₄
/Bi₂
O₃
。该材料通过界面协同效应显著提升了电荷传输效率，在1 A g^?1
电流密度下实现1190.8 F g^?1
的超高比电容，组装的非对称超级电容器能量密度达55.8 Wh kg^?1
，循环3000次后容量保持率仍达86.5%。

研究采用三大关键技术：1）ZIF67模板法合成多孔Co₃
O₄
骨架；2）水热法在ZIF67-Co₃
O₄
表面原位生长Bi₂
O₃
纳米片；3）通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）表征异质结结构。

【材料制备】部分显示，通过精确调控Co(NO₃
)₂
·6H₂
O与2-甲基咪唑的摩尔比，成功保留ZIF67前驱体的多孔特性，经煅烧获得高比表面积的ZIF67-Co₃
O₄
基底。

【材料表征】结果证实，Bi₂
O₃
纳米片均匀包覆在ZIF67-Co₃
O₄
表面形成分级孔隙，比表面积达187.6 m²
g^?1
，X射线光电子能谱（XPS）检测到Co²⁺
/Co³⁺
和Bi³⁺
的强电子耦合作用。

【电化学性能】测试表明，异质结界面加速了电荷转移，使电极在10 A g^?1
高电流下仍保持922 F g^?1
的容量，8000次循环后容量衰减仅20%。非对称器件在800.3 W kg^?1
功率密度下展现优异能量输出。

该研究通过巧妙的异质结工程设计，首次实现ZIF衍生材料与Bi₂
O₃
的协同增效，为破解金属氧化物电极的稳定性难题提供了普适性策略。Yongfeng Li等提出的核壳结构构筑方法，不仅适用于超级电容器，对锂/钠离子电池等储能器件开发也具有重要借鉴意义。国家自然科学基金和山西省自然科学基金的支持，彰显了该成果在新能源领域的重大应用前景。