在全球绿色储能产业高速发展的背景下，超级电容器凭借快速充放电、高功率密度及超长循环寿命等优势，在便携式电子设备、混合动力汽车等领域展现出广阔应用前景。异质结工程通过整合不同组分的优势并产生协同效应，已成为提升电极材料电化学性能的有效策略。
近日，长春理工大学董相廷教授、邵红副教授和东北师范大学李志鹏团队在期刊《Journal of Energy Storage》上，发表了最新研究成果“Electrospun self-standing FeVO4//Co3O4 Janus nanofibers heterostructure with enhanced performance for supercapacitors”。研究者通过静电纺丝法与煅烧法制备了FeVO4//Co3O4 JNFs异质结构，并首次将其应用于超级电容器领域。实验结果表明FeVO4与Co3O4之间形成了异质结内建电场，加速了电荷转移。FeVO4//Co3O4-JNFs-2表现优异电化学性能，在电流密度为1 A g-1时，比电容高达474.2 F g-1，在10000次循环后保持超过89.5%的初始电容。文章揭示了Janus异质结构的重要影响，并为金属氧化物复合电极材料提供了新的思路和方法。
图1：FeVO4//Co3O4 JNFs-2的制备流程图。
如图2所示，Janus纳米纤维表面粗糙，直径均匀，FeVO4与Co3O4分别分布于纤维两侧，形成清晰的异质界面。能量色散光谱(EDS)与线扫描分析进一步验证了Fe、V元素与Co元素在纤维两侧的选择性分布，表明成功构筑了Janus异质结构。
图2：(a) Fe(NO3)3/NH4VO3/PVP CNFs, (b) FeVO4 NFs (c) Co(CH3COO)2/PVP CNFs, (d) Co3O4 NFs, (e) Fe(NO3)3/NH4VO3/Co(CH3COO)2/PVP CNFs, (f) FeVO4/Co3O4 CNFs, (g) [Fe(NO3)3/NH4VO3/PVP]//[Co(CH3COO)2/PVP] JCNFs, (h) FeVO4//Co3O4 JNFs-1, (i) FeVO4//Co3O4 JNFs-2, (j) FeVO4//Co3O4 JNFs-3的扫描电镜图, (k)EDS元素映射图和(l) FeVO4//Co3O4 JNFs-2的EDS线扫描分析。
此外，与FeVO4 NFs和Co3O4 NFs相比，FeVO4//Co3O4 JNFs-2中Fe 2p和V 2p轨道峰均向低结合能方向移动(如图3)，表明FeVO4//Co3O4 JNFs-2中电子密度更高，是因为FeVO4与Co3O4之间的电子相互作用。同样，Co 2p轨道峰均向高结合能方向移动，这表明异质结构的存在会诱导局部电子的重排。Co的价态较高，这可以归因于FeVO4和Co3O4之间异质界面的形成和强电子相互作用，这种相互作用促进了电子从Co3O4转移到FeVO4，进一步导致其异质界面上电荷的重新分布。
图3：(a)FeVO4 NFs, Co3O4 NFs和FeVO4//Co3O4 JNFs-2的XPS总谱, (b) Fe 2p, (c) V 2p, (d) Co 2p的高分辨光谱。
如图4所示，FeVO4//Co3O4 JNFs-2在1 A g-1下的比电容为474.2 F g-1。通过b值拟合，可知FeVO4//Co3O4 JNFs-2电极中典型的扩散控制特性占主导地位。Nyquist图用于研究电极材料内部的电子转移和离子扩散行为，与其他电极材料相比，FeVO4//Co3O4 JNFs-2在高频区域表现出更小直径的半圆，在低频区域表现出斜率更高的斜率，表明其电荷转移电阻更低，离子扩散动力学更快。在5 A g-1下循环10000次后，FeVO4//Co3O4 JNFs-2、FeVO4 NFs 和Co3O4 NFs的容量保持率分别为89.5%、15.5%和51.7%。这一数据充分证明了Janus异质结构能够提高电极材料的电化学性能。
图4：(a) 不同样品在50 mV s-1下的CV对比图, (b) FeVO4//Co3O4 JNFs-2不同扫描速率下的CV图, (c) 不同样品在1 A g-1下的GCD对比图, (d) FeVO4//Co3O4 JNFs-2不同扫描速率下的GCD图, (e) logi和logv关系图, (f) 50 mV s-1时表面控制和扩散控制对总电荷存储的贡献, (g) FeVO4//Co3O4 JNFs-2在不同扫描速率下的表面和扩散控制, (h) EIS谱和(i) 不同样品的循环性能和库仑效率。
为评估实际应用潜力，研究者以FeVO4//Co3O4 JNFs-2为正负极组装对称超级电容器扣式电池（SSC）。如图5所示，该器件在750 W kg-1功率密度下能量密度达到36.8 Wh kg-1，在7500 W・kg-1高功率密度下仍能保持20.6 Wh・kg-1的能量密度，且经过5000次充放电循环后电容保持率为89.2%。此外，该SSC器件成功驱动蓝色LED灯发光，验证了其实际应用可行性。
图5：(a) 组装的[FeVO4//Co3O4 JNFs-2]//[FeVO4//Co3O4 JNFs-2]SSC装置的示意图, (b) 不同扫描速度下SSC装置的CV曲线, (c) SSC装置在不同电流密度下的GCD曲线, (d) Ragone图和(e) 5000次循环后5 A g-1下的循环性能和(f) SSC装置驱动LED照片。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.est.2026.120688
人物简介：
董相廷，长春理工大学化学与环境工程学院，教授，博士，博士生导师。从事纳米材料与技术研究，主要研究方向为：电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米结构材料与特性研究；电纺技术构筑稀土化合物一维纳米材料与发光性能研究；电纺、水热与溶剂热等及其结合技术构筑低维纳米材料与表征，并将所构筑的低维纳米材料应用于光催化分解有机污染物、光催化分解水制氢、电催化析氢和析氧、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器和气体传感器中。以第1名获吉林省技术发明一等奖1项、技术发明二等奖1项、自然科学二等奖1项；以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interfaces, Compos. Sci. Technol., Sensor Actuat B: Chem, J. Mater. Chem. C, Nanoscale等国际重要期刊发表论文500余篇；获授权国家发明专利100余件；研究成果引起领域内同行的高度关注。
邵红，长春理工大学化学与环境工程学院副教授，硕士生导师，吉林省高层次人才（D类）。2020年于东北师范大学物理学院获工学博士学位，现研究方向为新型功能材料的开发。先后主持/参与国家自然科学基金、吉林省科技厅等课题10余项。以第一/通讯作者在Water Res., Chem. Eng. J., Small, Sens. Actuators B Chem., ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Mater. Chem. C发表论文20余篇。
李志鹏，东北师范大学物理学院，集成光电子全国重点实验室博士后。2024年毕业于东北师范大学物理学院并获工学博士学位，主要研究方向是光热多功能纳米材料的设计与开发。参与国家自然基金等课题3项，以第一作者或通讯作者在Chem. Eng. J., ACS Appl. Nano Mater., Water Res., J. Energy Storage发表SCI论文4篇。
