定制氧化铜材料的浓度，以优化对称超级电容器器件的形态和电化学性能

时间：2026年2月1日

来源：Materials Chemistry and Physics

编辑推荐：

铜氧化物薄膜通过水热法在不锈钢基底上合成，系统研究前驱体浓度对结构、形貌及电化学性能的影响。XRD证实单斜相CuO，SEM显示随浓度增加纳米片尺寸增大形成多孔结构，BET测得0.15M样品比表面积24m²/g。XPS和FTIR证实纯相CuO，氧空位和表面羟基导致缺陷丰富。在1M KOH电解液中，0.15M样品比电容达558F/g（5mV/s），对称器件在0-1.2V窗口比电容84F/g，循环2000次后保持75.7%。研究表明水热法制备的CuO薄膜具有高储能潜力，适用于超级电容器应用。

印度伊斯兰普尔Smt. K. R. P Kanya Mahavidyalaya物理系，邮编415409

摘要

随着全球对可持续和高效能源系统需求的增长，对高性能储能设备（如超级电容器）的需求也日益迫切。在本研究中，采用水热法在不锈钢（SS）基底上合成了氧化铜（CuO）薄膜，并在300°C下进行了退火处理。系统地研究了Cu前驱体浓度对CuO薄膜的结构、形貌和电化学性质的影响。X射线衍射（XRD）分析证实了形成的CuO为单斜晶系多晶结构，这有利于电化学储能。扫描电子显微镜（SEM）显示前驱体浓度显著影响表面形貌，而Brunauer–Emmett–Teller（BET）分析表明0.15 M浓度的CuO薄膜具有24 m²g⁻¹的高表面积，并具有介孔特性。XPS分析确认形成了纯CuO相，其中Cu主要以Cu²⁺氧化态存在（特征Cu 2p₃/₂、Cu 2p₁/₂峰分裂约为19.8 eV，并有明显的卫星峰）；O 1s光谱显示了晶格氧以及与氧空位相关的成分和表面羟基，表明CuO薄膜存在缺陷。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了CuO的成功合成，能量分散X射线（EDS）分析验证了Cu和O元素的存在。在1 M KOH电解质中的电化学测试表明，0.15 M浓度前驱体的CuO薄膜在5 mV s⁻¹扫描速率下表现出558 Fg⁻¹的优异比电容（Cₛ），在6 Ag⁻¹电流密度下为299 Fg⁻¹。CuO//CuO对称超级电容器在0–1.2 V的电压窗口内比电容为84 Fg⁻¹，并在2000次充放电循环后仍保持75.7%的电容保持率。这些结果表明，通过水热法合成的CuO薄膜是高性能超级电容器和储能应用的有前景的电极材料。

引言

由于人口增长和全球经济的推动，化石燃料的枯竭导致了全球变暖和环境污染等严重问题。这种情况凸显了开发清洁、可持续能源及其相关技术的迫切需求。[1] 为满足不断增长的能源需求，人们采用了多种储能系统，包括电池、燃料电池和超级电容器[2]。在这些储能设备中，当提供燃料时，燃料电池可以产生电能；而当需要时，则从电池中获取储存的能量。电化学超级电容器作为一种储能设备，具有快速充电和中等比能量的特点，旨在填补电池和电容器之间的空白。超级电容器表现出优异的功率密度和延长的循环寿命。根据储能机制，它们被分为两类：一类是双电层电容器（EDLC），其电容是由于电极/电解质界面处电荷的积累；另一类是赝电容器，其电容是由电活性材料的快速可逆法拉第反应引起的。

此外，超级电容器的性能主要取决于多种因素，如电极材料、结构、电解质、隔膜和封装。超级电容器中使用的电极材料种类繁多，包括碳基材料、金属氧化物和导电聚合物。对于EDLC，电极通常由石墨烯、碳气凝胶、碳纳米管和活性炭制成[4]；而对于赝电容器，则使用NiO、CoO、RuO₂、CuO、Fe₃O₄、MnO₂、CdO等金属氧化物，以及NiMoO₄、MnFe₂O₄、ZnFe₂O₄、CoFe₂O₄、NiCo₂O₄等三元氧化物[5]。最近的研究表明，基于过渡金属氧化物的纳米复合材料，特别是含有钴和镍氧化物的复合材料，由于电导率和丰富的氧化还原活性位点的改善，表现出更好的赝电容行为和循环稳定性[6],[7],[8],[9]。这些研究强调了氧化物化学、纳米级结构和复合设计在实现高性能超级电容器电极中的关键作用。CuO被归类为p型半导体，其带隙值为1.2 eV，具有高电导率、高表面积以及可控的表面形貌等优点，从而通过促进电极中的快速可逆氧化还原反应来提高电化学效率和比电容[10]。由于其物理和化学性质、可调的形貌、可控的多孔表面以及惰性的表面电化学特性，CuO是一种有趣且有前景的材料[11]。CuO因其无毒性质、多种价态、丰富的氧化还原反应能力以及良好的电化学活性（包括循环稳定性和优异的理论电容和能量密度）而受到关注[12],[13]。由于其经济且简单的制备方法以及理想的电学和光学性能，CuO成为储能应用的理想金属氧化物[14]。CuO还通过不同的化学和物理方法合成，如热氧化、浸涂[14]、溶胶-凝胶法[15]、声化学法[16]、水热法[15]、喷雾热解[17]、SILAR法[18]。许多研究人员关注使用不同方法合成CuO纳米结构，以获得不同的形貌（如纳米带、纳米花、纳米线等），这些形貌会影响CuO的储电能力[1]。基于CuO的这种可调形貌特性，研究人员合成了不同形态的CuO，例如纳米棒、纳米带和纳米线，在1 A/g电流密度下分别获得了398 F/g、392 F/g和118 F/g的比电容值。尽管使用这些方法制备的CuO电极的理论值（1800 F/g）与实际获得值之间存在很大差异。

为了解决这一问题，发现使用导电基底且不添加粘合剂的新型方法是提高所制备电极在超级电容器应用中适用性的最佳策略。基于这一策略，Liu及其同事开发了一种在铜泡沫上制备纳米棒形CuO纳米材料的新工艺，在2 mA/cm²电流密度下实现了594.27 F/g的比电容。同样基于这一策略，Shinde等人使用铜箔在5 mV/s扫描速率下获得了近498 F/g的比电容[19]。然而，所有这些导电基底在浸入电解质时都容易腐蚀，而SS基底不易腐蚀，其抗腐蚀性能优于铜箔和其他导电基底，这使得它们成为超级电容器应用中的有前途的电极[20]。

与其他铜氧化物（如Cu₂O）相比，CuO因具有较窄的带隙、更高的电导率以及由Cu²⁺/Cu⁺可逆氧化还原对引起的优异电化学活性而在超级电容器应用中得到了更广泛的研究。CuO的单斜晶结构提供了多个电化学活性位点，促进了快速法拉第反应，从而增强了赝电容储能效果[15]。此外，CuO在碱性电解质中表现出更好的化学和热稳定性，这对长期循环性能至关重要。其低成本、地球丰度、环境友好性以及与多种合成路线和集流体兼容性进一步使CuO成为比其他铜氧化物更实用和可扩展的电极材料。

本工作的目标是利用一锅水热法在SS基底上生成纳米结构的CuO。系统研究了Cu浓度对材料结构、形貌的影响，以及其在超级电容器储能应用中的使用情况。此外，优化后的CuO电极被用作对称超级电容器装置的阳极和阴极。

化学试剂

用于沉积CuO薄膜的304级不锈钢（SS）基底是从商业钢材市场（Kolhapur）购买的。所有化学品，如硝酸铜（纯度99.5%）、氢氧化铵（纯度30%）、氢氧化钾（KOH，纯度85%）和聚乙烯醇（PVA，纯度99%）均购自印度孟买的Thomas Baker公司。

CuO薄膜的合成

在本研究中，采用一锅水热法在SS基底上合成了纳米结构的CuO薄膜。

结构性质

使用XRD技术分析了不同Cu前驱体摩尔浓度的样品（C1、C2、C3和C4）的X射线衍射（XRD）谱图，相应谱图见图2。所有XRD谱图都显示出五个明显或可区分的峰，表明沉积材料为多晶结构。衍射角位于特定范围内。在所有制备的样品中观察到的峰是由于SS基底的影响。

CuO//CuO对称器件的电化学研究

使用样品C3制备了CuO//CuO对称超级电容器装置。其中，相同材料（C3）的阳极和阴极电极之间夹有滤纸作为隔膜，并使用适当的PVA和KOH混合物作为凝胶。通过施加不同的工作电压窗口（如0.7至1.2 V）对器件进行了测试，如图11(a)所示。在所有这些不同的电压窗口中，CuO//CuO对称器件表现出更好的电化学性能。

结论

通过一锅水热法成功合成了不同摩尔浓度的CuO薄膜，并系统研究了其超级电容器性能。XRD分析证实了CuO的单斜晶相，SEM图像显示随着Cu前驱体浓度的增加，纳米片尺寸增大，形成了介孔状的羊毛状形貌。XPS和FTIR分析支持了CuO相的形成，表面润湿性测试证实了其亲水性。

CRediT作者贡献声明

Dhanaji B. Malavekar：验证、监督、软件、数据分析。Aishwarya A. Admuthe：软件、方法论、数据分析、数据管理。Pooja A. Desai：撰写初稿、软件、方法论、研究、数据管理、概念化。Raghunath H. Patil：撰写与编辑、可视化、验证、监督、方法论、研究、数据分析、概念化。Jin H. Kim：可视化、验证、软件、数据分析