DOI:10.1016/j.jallcom.2020.158075

三维结构材料与电解质有足够的反应性接触表面，可以显著提高超级电容器的电容性能。在此，研究者报告了一种简便的方法以制备分层碳纳米纤维（CNFs）改性铜泡沫支撑的Co@CoO杂化材料，作为超级电容器应用的独立式无粘结剂电极。在三电极系统中，经过优化的Co@CoO/CNFs/Cu泡沫材料在50 mA cm-3的电流密度下循环5000次后，显示出19.2 F cm-3的高比电容和97.5％的优异电容保持率。以Co@CoO/CNFs/Cu泡沫材料为正极，活性炭电极为负极，构建了一种纽扣型不对称超级电容器，以检验其在实际应用中的性能。在4 mA cm-2的充电电流密度下，其储能密度达到180.5 mWh cm-2，相应的功率密度为6000 mW cm-2。5000次循环后，保持了100％的出色循环寿命。CNFs的高表面积和电导率对高度分散的Co@CoO纳米粒子起到了积极的支持作用。脉冲电沉积有利于可控地制备具有均匀分布和均一尺寸的Co@CoO纳米粒子。具有多孔结构的分层杂化电极能够很好地接入电解质，有效地存储和转移电荷，从而改善了其整体电化学性能。

图1.Co@CoO/CNFs/Cu泡沫复合电极的合成步骤和反应机理示意图。

图2.（a）Co@CoO/CNFs/Cu泡沫的扫描电子显微镜（SEM）图像，（b）（a）的相应EDX元素图，（c，d）Co@CoO/CNFs/Cu泡沫以及末端开口CNF（d的插图）的高分辨率SEM图像。

图3.（a）生长的CNFs和CNTs（插图）的透射电子显微镜（TEM）图像，（b，c）Co@CoO/CNFs以及（d）Co、CoO和FeO纳米粒子的高分辨率TEM图像。

图4.（a）Co@CoO/CNFs/Cu泡沫的XRD图谱和（b）拉曼光谱。

图5.（a）宽扫描XPS光谱，（b）C、O、Co和Fe的表面原子浓度，（c）Co@CoO/CNFs/Cu泡沫复合电极的O1s，（d）Fe2p，和（e）Co2p。

图6.（a）在-0.8至-0.2V的电位窗口下，以10 mV s-1的扫描速率获得的Cu泡沫、CNFs/Cu泡沫、Co@CoO/Cu泡沫和Co@CoO/CNFs/Cu泡沫的循环伏安图（CV）。（b）Co@CoO/CNFs/Cu泡沫在不同扫描速率（5、10、20、30、40和50 mV s-1）下的CVs。（c）Co@CoO/CNFs/Cu泡沫的比电容与扫描速率的函数关系。（d）Co@CoO/CNFs/Cu泡沫在不同电流密度（50、75、100和150 mA cm-3）下的恒电流充电/放电（GCD）曲线。（e）在不同电流密度下计算得出的Co@CoO/CNFs/Cu泡沫的比电容。（f）Cu泡沫、CNFs/Cu泡沫和Co@CoO/CNFs/Cu泡沫样品的奈奎斯特图和等效电路图（插图）。

图7.（a）CNFs/Cu泡沫和Co@CoO/CNFs/Cu泡沫在5、10、30和40个脉冲下的循环伏安图（CVs），以在CNFs/Cu泡沫上脉冲电沉积Co（扫描速率为10 mV s-1）。（b）在第1、1000、3000和5000次循环期间记录的CVs表明Co@CoO/CNFs/Cu泡沫的长期稳定性。（c）Co@CoO/CNFs/Cu泡沫在3M KOH中循环5000次后的电容保持率。

图8.组装的纽扣式Co@CoO/CNFs/Cu泡沫（+）//AC/Ni泡沫（-）ASC装置的电化学性能。（a）在0-1.0V的电势窗口中以不同扫描速率获得的CV曲线。（b）在不同电势窗口中以10 mV s-1的扫描速率获得的CV曲线。（c）在0-1.5V的电势窗口中，在不同电流密度下的GCD曲线。（d）显示ASC设备功率和能量密度的Ragone图。（e）电流密度为6 mA cm-2时的电容保持率和库伦效率。