本文提出一种基于焦耳热高温热冲击（HTS）的两步法策略，用于快速制备碳布（CC）基氧化物纳米颗粒电极材料。首先通过焦耳热预处理激活碳布（PACC），再在1000℃下通过三次100 ms脉冲处理，使金属盐前驱体分解并在PACC表面原位生长氧化物纳米颗粒（如Co₃O₄）。所制备的PACC/Co₃O₄电极在0.2mA/cm²电流密度下展现出408mF/cm²的高比容量，20000次循环后容量保持率为84%，且组装的全固态超级电容器在弯曲状态下性能稳定。该方法可扩展至其他过渡金属氧化物（如MnO_x），为高效、通用的超级电容器电极制备提供了绿色快捷的途径。

一、研究背景

超级电容器需求：随着便携式电子设备和新能源技术的发展，对高功率密度、长循环寿命的柔性储能器件需求迫切。碳布（CC）因高导电性、柔韧性和低成本，成为理想电极基底，但传统激活和电活性材料负载方法（如湿化学法、常规退火）存在流程复杂、能耗高、时间长等问题。

超快焦耳热技术的优势：焦耳热技术可通过电流快速加热材料，在短时间内实现高温热冲击（HTS），促进前驱体分解和纳米颗粒生长，避免传统方法中纳米颗粒团聚和结构缺陷，同时保留碳布的机械柔韧性。

伪电容材料负载：过渡金属氧化物（如Co₃O₄）作为伪电容材料，理论比容量高，但需高效方法实现其在碳布上的均匀负载，以提升电极电化学性能。

二、研究创新及亮点

1.创新方法：

焦耳热高温热冲击（HTS）两步法：该研究首先采用直接焦耳热对预处理碳布（CC）进行初步活化，接着利用HTS在极短时间内（200ms内升温至1000℃，每次脉冲100ms，共三次）合成过渡金属氧化物（TMO）纳米颗粒。这种方法通过精确控制焦耳热和HTS参数，有效调控了纳米颗粒的成核与生长过程，避免颗粒过度生长和团聚，保证其在碳布上均匀分散且与碳布紧密结合。同时，该方法实现了碳布的快速活化与纳米颗粒的原位生长，大大缩短了制备周期，传统方法通常需要数小时甚至数天，而该方法整个过程仅约10s。

利用瞬态非平衡合成：HTS过程中的瞬态高温创造了非平衡条件，使金属盐前驱体快速分解、成核并生长为TMO纳米颗粒。这种瞬态非平衡合成有效抑制了纳米颗粒的过度生长，保证了其与PACC纤维的紧密接触，不仅增强了材料的机械稳定性，还为电子传输提供了便捷通道，有利于提升超级电容器的循环性能和倍率性能。

2.研究亮点：

高性能电极材料：制备的PACC/Co₃O₄电极展现出卓越的电化学性能，在0.2mA/cm²的电流密度下，面积比容量高达408mF/cm²，在2mA/cm²时容量保持率达97%，经过20000次循环后，容量仍能保留初始值的84%，库仑效率保持在约94%，性能远超许多已报道的类似电极材料。将PACC/Co₃O₄电极组装成全固态超级电容器（ASSSC）后，在不同弯曲状态下都能保持稳定的电化学性能，满足可穿戴设备对储能器件的要求。

方法通用性：通过验证，该制备方法不仅适用于合成PACC/Co₃O₄电极，还能成功拓展到其他氧化物材料，如PACC/MnO_x电极。该电极同样表现出高比容量（0.2mA/cm²下约456mF/cm²）和良好的倍率性能，为开发多种高性能超级电容器电极材料提供了可能。

绿色高效制备：整个制备过程操作简单，无需复杂设备和多步操作，减少了人为误差和制备成本。HTS过程中，高温持续时间短（每次脉冲100ms），大大降低了能源消耗，符合绿色化学和可持续发展的理念，为大规模生产高性能超级电容器电极材料提供了可行的技术路径。

三、图文解释

图1呈现了利用高温热冲击（HTS）技术在碳布（CC）上制备氧化物纳米颗粒（NPs）的两步法过程。第一步，使用商用CC进行混酸溶液处理，随后在空气中通过焦耳热进行初步活化，HTS 产生约 800°C 的高温，持续 3 个 100ms 脉冲，得到初步活化的碳布（PACC）。第二步，将含有金属盐前驱体（如Co(NO₃)₂）的溶液滴涂在 PACC 上，再次进行 HTS，温度迅速升至约 1000°C，同样持续 3 个 100ms 脉冲，使前驱体分解、成核并生长为氧化物 NPs，最终形成 PACC/TMO 复合材料。

图2.PACC/Co₃O₄电极的超快焦耳热合成。图2（a）为焦耳热加热CC的光学图像，展示了实验装置实现快速加热和产生超高温的过程。图2（b）呈现了不同尺寸的CC在焦耳热过程中的温度曲线，随着CC长度增加，达到1000°C目标温度所需的电功率增大。图2（c）为HTS过程中合成PACC/Co₃O₄的编程脉冲。图2（d-f）为PACC/Co₃O₄复合材料不同放大倍数下的形貌和结构，图中展示出Co₃O₄纳米颗粒均匀地覆盖在PACC纤维表面，尺寸范围从几十到几百纳米，部分纳米颗粒表面有褶皱。图2（g-i）展示了不同Co₃O₄纳米颗粒负载量的PACC纤维，随着Co²⁺浓度增加，纳米颗粒的尺寸和数量逐渐增大。

图3.PACC/Co₃O₄电极的结构表征。图3（a-b）为Co₃O₄纳米颗粒的TEM图像，显示其具有介孔结构，边缘超薄，这种结构有利于提高材料表面的电化学利用率。图3（c）的HR-TEM图像，突出了Co₃O₄的（311）平面，晶格条纹间距为2.44Å，与标准Co₃O₄的（311）晶面相对应。图3（d）为PACC/Co₃O₄复合材料的X射线衍射（XRD）图谱，与标准Co₃O₄图谱（#42-1467）匹配良好，进一步证实了Co₃O₄的晶体结构。图3（e-f）分别为Co 2p和O 1s的X射线光电子能谱（XPS）光谱，Co 2p峰分为两组（Co²⁺和Co³⁺物种）并伴有两个弱卫星峰，O 1s光谱中，529.97eV处的峰对应金属-氧键Co-O，531.60eV和532.95eV分别对应缺陷O和表面吸附O，表明材料表面存在多种氧物种。图3（g）为单个介孔Co₃O₄纳米颗粒的HR-TEM图像和EDS元素映射，显示出Co和O在颗粒和原子尺度上均匀分布。

图4.PACC/Co₃O₄电极的电化学性能。图4（a）为不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线，在0-0.6V电压窗口内，随着扫描速率从5mV/s增加到100mV/s，曲线形状基本保持不变，且呈现出明显的氧化还原峰，表明存在可逆的法拉第反应，电极具有良好的电化学可逆性。图4（b）为不同电流密度下的恒电流充放电（GCD）曲线，曲线呈现非线性，进一步证实了电极的法拉第赝电容特性。图4（c）展示了面积比容量与电流密度的关系，在0.2mA/cm²电流密度下，面积比容量高达408mF/cm²，当电流密度增加到10mA/cm²时，比容量仍保持在326mF/cm²（80%），显示出良好的倍率性能。图4（d）为Nyquist图和等效电路模型，等效电路中的串联电阻Rs代表系统的溶液电阻，法拉第电荷转移电阻Rct由中高频区的半圆直径表示，PACC/Co₃O₄电极的Rs和Rct值分别为1.45Ω和1.15Ω，较低的电阻值表明活性Co₃O₄纳米颗粒与导电PACC骨架接触紧密。图4（e）为在10mA/cm²电流密度下的长期循环性能，经过20000次循环后，比容量保留了初始值的84%（274mF/cm²），库仑效率在整个充放电循环中保持在约94%，表明电极具有较高的电荷转移效率和良好的循环稳定性。

图5.焦耳热HTS方法的通用性。图5（a）展示了MnO_x纳米颗粒在PACC纤维上的形貌，MnO_x纳米颗粒均匀分布在PACC纤维表面。图5（b）为PACC/MnO_x的XRD图谱，尽管存在碳基底的强峰，但仍可观察到对应Mn₂O₃（#41-1442）和Mn₃O₄（#24-0734）的衍射峰，表明两种锰氧化物相共存。图5（c）为PACC/MnO_x电极在不同电流密度下的GCD曲线，根据曲线计算得到在0.2mA/cm²电流密度下的最大面积比容量约为456mF/cm²。图5（d）展示了PACC/MnO_x的面积比容量与电流密度的关系，当电流密度从0.2mA/cm²增加到2.0mA/cm²时，比容量保持在325mF/cm²（71%），显示出较高的比容量和良好的倍率性能。

四、总结与展望

该研究首次将焦耳热HTS技术用于碳布基电极的两步法制备，成功地展示了通过创新的焦耳热高温热冲击技术在10秒内实现纳米颗粒的原位生长和碳布的协同激活，利用瞬态高温脉冲抑制纳米颗粒团聚，形成高活性多孔结构，提升电化学利用率。通过这一方法制备的PACC/Co₃O₄电极在三电极体系1M KOH电解液中表现出色。CV曲线呈现明显氧化还原峰，不同扫描速率下曲线形状稳定，显示良好电化学可逆性；GCD曲线非线性，0.2mA/cm²下比容量达408mF/cm²，10mA/cm²时仍保持80%，倍率性能优异；EIS测试中，R_s和R_ct值低，表明电荷传输快；20000次循环后容量保持84%，库仑效率约94%，循环稳定性高，全固态器件展现良好柔性，适用于可穿戴设备的超级电容器。此外，该方法可扩展至MnO_x等其他氧化物，探索更多金属氧化物（如NiO、Fe₃O₄）和碳基材料（石墨烯、碳纳米管）的复合体系，优化电极性能。为碳基复合材料的快速合成提供普适性策略。结合柔性基底和固态电解质，可开发高能量密度的可穿戴超级电容器，推动其在物联网、柔性电子等领域的应用。