DOI:10.1016/j.apsusc.2020.147678

在本研究中，通过单喷嘴共静电纺丝和随后的煅烧两步合成了一种介孔复合材料系统，该系统由碳纤维芯层和Co1.5Mn1.5O4尖晶石纳米晶壳层组成。得益于所获得的核壳结构，该复合材料在两电极配置下显示出较高的比电容，在0.28 A g-1时高达384 F g-1，在50 mV s-1下的2000次循环后无电容损耗。由于氧化还原活性壳和导电芯的协同作用，尖晶石纳米晶体的掺入改善了复合纤维的电容性能，使这种新型材料有望用于对称超级电容器。

图1.对称超级电容器装置中材料的复合结构形成及其组装的示意图。初生杂化相分离纤维，其PVP相中含分散的金属离子（左）。标记横截面的CF@Co1.5Mn1.5O4复合材料（左中），自立式电极（右中）和标记电池组件的自制Swagelok®电池（右）。

图2.（a，b）初纺杂化纤维在不同放大倍率下的FE-SEM图像，相应的直径分布如图（c）所示；（d，e）空气稳定纤维的FE-SEM图像，直径分布如图（f）所示；（g，h）CF@Co1.5Mn1.5O4复合纤维的FE-SEM图像，其直径分布如图（i）所示。

图3.（a）初生杂化（黑线）和水提取纤维（灰线）的FTIR光谱，其标记带对应于PAN（红点）和PVP（蓝点）聚合物，（b）CF@Co1.5Mn1.5O4的FTIR光谱和（c）相应的XRD图谱。

图4.（a）CF@Co1.5Mn1.5O4的横截面SEM显微照片，黄色和红色箭头分别表示CFs和沉积的保护性C层，（b）CF@Co1.5Mn1.5O4的STEM HAADF显微照片,以及锰（Mn）、钴（Co）、氧（O）和碳（C）元素分布图。

图5.Co1.5Mn1.5O4尖晶石纳米颗粒的HAADF STEM实验图像（a）以原子分辨率拍摄，插图：HR图像与代表原子列位置的模型圆重叠（蓝色表示较高的金属原子占有率，橙色表示较低的金属原子占有率），而对于氧气柱位置而言则为黄色），（b）高放大倍率下标记的刻面取向，（c）原子分辨率图像的FFT，其中标记了禁止反射，（d）标记K和L边缘的尖晶石纳米颗粒中元素的EELS光谱，插图：Mn和Co的L3/L2白线强度比，以及（e）标记碳K边缘的碳纤维的EELS光谱。

图6.CF@Co1.5Mn1.5O4复合纤维的（a）Co 2p，（b）Mn 2p，（c）O 1s和（d）C 1s的高分辨率XPS光谱，标记的峰对应于Co和Mn的各种氧化态，标记的结合能对应于O和C光谱中存在的各种峰。

图7.CF@Co1.5Mn1.5O4对称超级电容器的电化学性能。（a）在各种扫描速率下的CV曲线（图中标出），（b）在1 mV s-1的扫描速率下的CV曲线，（c）在10 mV s-1的扫描速率下裸碳（灰色）和复合纤维（绿色）的CV曲线，（d）在各种恒定电流下的充电/放电曲线，（e）倍率性能，（f）Ragone图。

图8.（a）CF@Co1.5Mn1.5O4超级电容器设备以50 mV s-1的扫描速率进行循环获得的电容保持率，插图：以1 mV s-1的扫描速率进行稳定性测试前后的CV曲线，（b）奈奎斯特图，频率范围为10mHz-100kHz，RMS幅度为5mV（插图：较高频率下的奈奎斯特图）。