氧化铈掺杂钴基金属有机框架衍生介孔碳电极的协同增强氧化还原动力学与电容性能研究

　　本研究针对超级电容器电极材料导电性差、结构稳定性不足等问题，通过热解钴铈双金属MOF前驱体，构建了碳纳米管/纳米球共存的导电网络。最优配比的5Co-5Ce/C复合材料展现出839F g?1 的高比电容和97%的循环稳定性，揭示了CeO2 调控钴结晶行为、促进介孔结构形成的协同机制，为高性能超级电容器电极设计提供了新思路。

　　

随着全球能源结构向可再生能源转型，间歇性供电问题使高效储能设备成为研究热点。超级电容器(SC)因功率密度高、循环寿命长等优势备受关注，但其能量密度受限于传统双电层电容材料。过渡金属氧化物虽能通过法拉第反应提升储能，但钴氧化物导电性差、氧化铈(CeO₂
)比电容低(<100F g^?1
)等问题制约发展。如何通过材料设计协同提升导电性与氧化还原活性，成为突破性能瓶颈的关键。

针对这一挑战，研究人员通过溶剂热法合成钴铈双金属MOF前驱体，经高温热解制备Co-CeO₂
/C系列复合材料。采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，电化学测试评估比电容和循环性能，结合形貌表征揭示材料构效关系。通过调控Co/Ce比例(9:1至5:5)，系统研究金属协同作用对碳基质构和电化学性能的影响。

材料合成与结构表征
热解过程中钴纳米颗粒催化生成碳纳米管和纳米球组成的导电网络，XRD证实立方晶系CeO₂
与金属钴的成功复合。5Co-5Ce/C样品呈现最均匀的介孔结构，比表面积显著增加，为离子传输提供高效通道。

电化学性能分析
在0.1 A g^?1
电流密度下，5Co-5Ce/C的比电容达839F g^?1
，远高于纯CeO₂
。10 A g^?1
大电流循环6000次后容量保持率97%，表明Ce³⁺
/Ce⁴⁺
氧化还原对不仅增强电荷存储，还通过调控钴结晶抑制结构坍塌。

协同机制阐释
铈掺杂延缓钴颗粒聚集，促进形成小尺寸钴催化剂，从而优化碳纳米管分布。CeO₂
的氧空位缺陷提升电子传导率，其与钴的价态协同作用实现快速可逆氧化还原，使复合材料兼具双电层电容和法拉第电容特性。

该研究创新性地将稀土金属与过渡金属MOF衍生策略结合，证实铈掺杂可同时解决导电网络构建和活性位点稳定化两大难题。所开发的材料在保持高功率密度前提下，能量密度接近电池水平，为下一代储能器件电极设计提供了普适性方法。论文发表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》，对推动MOF衍生材料在能源领域的应用具有重要指导意义。