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最近，上海交通大学赵斌元副教授课题组与中国科学院上海光学精密机械研究所研究员吴卫平课题组、牛津大学材料系Robert Bradley教授合作，在可控合成生物相容氮掺杂高比表面积中空碳纳米囊 (Scientific Reports, 2020, 10(1), 4306) 、新型碗状碳胶囊内部生长二硫化钼纳米片高性能超级电容器材料（ACS Applied Nano Materials, 3(7), 6448-6459,2020）等前期工作的基础上，在碗状碳纳米囊内部原位生长超细磁性四氧化三铁Fe3O4纳米颗粒并将其用于高性能超级电容器方面，取得了重要进展。
论文作为Carbon杂志封面发表(Carbon, 179, 327-336, 2021)国际碳材料期刊《Carbon》以“Ultra-small Fe3O4 Nanoparticles Encapsulated in Hollow Porous Carbon Nanocapsules for High Performance Supercapacitors”为题，报道了赵斌元等人的此项研究成果。审稿人对此工作以“基于独特设计的结构，Fe3O4@CNB作为超级电容器电极材料，表现出优异的电化学性能。由于空心多孔碳的EDLC和Fe3O4纳米颗粒的PC的协同效应，在重量和体积电容方面表现出增强的电化学性能。”给予以了高度的评价。
四氧化三铁-碳杂化材料Fe3O4@CNB合成示意图
以锂离子电池、超级电容器为代表的储能器件，在新能源、交通、通信、电子、航天航空等领域，获得了广泛的应用。探索性能卓越的新型电极材料，对于提高能量转换和存储性能至关重要。锂电池能量密度高，但功率密度偏低；而超级电容器功率密度高，但能量密度过低。如何发展兼具高能量密度、高功率密度的低成本新型电极材料和储能器件，超越这两类储能器件的储能极限，一直以来是化学储能领域极具挑战的难题。
不同四氧化三铁含量Fe3O4-碳杂化材料的扫描电子显微镜(SEM)图像和透射电子显微镜（TEM）图像。
超级电容器主要有两种能量存储机制，电化学双层电容（Electrical Double Layer Capacitance，简称EDLC）以及赝电容（Pseudocapacitance Capacitance，简称PC）。多孔碳材料（活性碳、介孔碳）和纳米碳材料(碳纳米管、石墨烯等）主要表现出双电层电容特性。过渡金属氧化物（如二氧化钌RuO2、二氧化锰MnO2），过渡金属氮化物和导电高分子等表现出赝电容特性。然而，赝电容材料循环性能差，工作寿命较低。在保持出色循环稳定性的前期下，如何同时获得高质量比电容和高体积比电容，是超级电容器领域的一大挑战，也是限制超级电容器发展和广泛应用的瓶颈。因此，为了获得更佳的整体电化学性能，有必要设计结合这两种电荷存储机制的复合材料，规避双电层电容器和赝电容器的缺点，展现出更好的能量密度和循环使用稳定性。
(a) 空心多孔碳纳米囊及四氧化三铁-碳杂化材料在0.2 A g−1下的体积电容与重量电容，(b)与先前报道的超级电容器材料在0.5 A g-1下重量比电容Cg和体积比电容Cv的对比。
在各种赝电容电极材料之中，四氧化三铁（Fe3O4）是一种低成本、高效环保并具有磁性的材料，由于其氧化态组分以及在水溶液中具有可逆氧化还原法拉第反应特性，因此具有较高的比电容。Fe3O4在水溶液中的法拉第反应机理，大致基于以下方程式：Fe3O4 + 2e− + 4H2O→3Fe(OH)2 + 2OH−。然而，由于其较低的比表面积和较少的孔隙率，纳米Fe3O4颗粒易团聚，且在充电/放电过程中导电性差且离子扩散速率缓慢， 磁性Fe3O4纳米颗粒在用作为超级电容器的电极材料时，具有表现出较差的比电容，较高界面电阻，较低的倍率性能以及在水性电解质中的循环寿命较短等问题。
该工作为发展兼具高能量密度和高功率密度储能器件用新型低成本电极材料提供了新思路，也为合成具有核-壳结构的微纳新型材料开辟了新途径。并且，该磁性微纳复合材料可用于构筑磁性敏感的储能器件、传感器和智能系统。该内部空间限制反应和构筑策略，也可以轻松扩展到其他二维纳米结构（例如金属硫化物/氧化物）的构建，还可以扩展到其他二维纳米材料和复合结构（例如金属硫化物/氧化物-碳纳米复合材料）的构建，广泛应用于催化可再生能源、生物医学、气体储存和药物输送等领域。
该项工作实验部分主要上海交通大学材料科学与工程学院博士研究生王礼建同学完成，赵斌元副教授和中国科学院上海光学精密机械研究所吴卫平研究员为论文通讯作者。该项工作得到了上海市科学技术委员会STCSM（项目编号17230732700）、中科院“百人计划”、上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室-马鞍山经济技术开发区轨道交通材料联合研究中心（项目编号2018GJ012）的资助。
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赵斌元博士
上海交通大学材料学院材料科技发展中心副主任
中国技术创业协会科技创新生态发展联盟理事长
浙江文镁科技有限公司总经理
作为项目负责人主持国家自然科学基金项目1项、973预研专 项1项、中英合作项目1项、校企合作项目多项、建立联合研究中心9个，发起组建了中国技术创业协会科技创新生态发展联盟，创始了致力于打造科技生态的科学家合伙人公司——绿丞科技服务体系公司，“2019胡润上海技术转移机构领军TOP5“、”2018胡润上海技术转移机构新锐Top 10”、“中国创新挑战赛优秀服务机构奖”、“上海市科技成果转化功能示范基地”、“上海市优秀技术转移服务示范机构”、”上海市技术交易所首批专业服务机构“、“上海市工商联科技商会研企交流中心”、”长三角及上海科技创新券服务单位”等资质荣誉。关于我们
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