Angew. Chem. Int. Ed. 复旦大学聂志鸿桑玉涛团队：手性Co3O4实现无磁场自旋极化电荷输运，显著提升超级电容器动力学。论文信息
超级电容器具有超高的功率密度，但其性能在高倍率下始终受到电极–电解液界面电荷转移动力学迟缓的根本制约。近年来，磁场辅助自旋调控被认为是提升电化学动力学的一种有前景的策略，但对外部磁场和磁性部件的依赖严重限制了其在实际器件中的集成。
手性诱导自旋选择性效应（Chirality-Induced Spin Selectivity, CISS）为此提供了内禀的替代方案：电子通过手性结构时，无需外部磁场即可发生自旋极化。然而，CISS能否调控超级电容器中的界面动力学，此前从未得到验证。
近日，复旦大学高分子科学系聂志鸿教授、桑玉涛青年研究员团队提出了一种全新思路：利用CISS效应，将手性作为超级电容器中电子自旋输运的内禀、无磁场调控维度，显著提升超级电容器动力学。相关成果以 Field-Free Spin-Polarized Charge Transport in Chiral Co3O4 Boosts Supercapacitor Kinetics 为题发表在 Angewandte Chemie International Edition。
分子模板"印刻"手性，纯无机电极实现自旋极化
研究团队以L-或D-苏氨酸为手性诱导剂，在FTO基底上水热生长氢氧化钴纳米片，再经煅烧彻底去除有机组分，得到纯无机Co3O4薄膜。煅烧后的Co3O4仍在可见–近红外区呈现镜像对称的清晰CD信号，说明分子手性经立体特异性配位被 印刻 进无机构筑基元——其光学活性源于无机电极本身。mCP-AFM测试显示，室温下样品自旋极化率约为48%。这一体系排除了有机配体对电学信号的干扰，同时无机电极在强极化电位与长期循环下更加稳定耐用。
图1. 手性Co3O4的光学活性与自旋极化。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
电荷转移电阻降低6.4倍，动力学全面提速
在与外消旋（Rac-Co3O4）和无模板Co3O4（合成过程中不添加手性诱导剂）的对比中，手性电极在1 mA cm?²下比电容达289.20 mF cm-2，较外消旋样品提高约18%，并在1–10 mA cm-2全区间内保持领先；2000次循环后容量保持率达70.66%，循环后形貌、物相与手性均完整保持，印证了无机电极的结构稳定性。组装的软包器件成功点亮3 V LED，5000次循环后容量保持率仍达77.69%。
电化学阻抗谱（EIS）结合弛豫时间分布（DRT）分析显示，手性电极的电荷转移电阻仅为0.133 Ω，较外消旋样品降低约5.1倍、较无模板样品降低约6.4倍，弛豫时间明显缩短，输运阻抗大幅下降。该策略在NiO体系中也得到验证，显示出向其他氧化物电极推广的普适性。
图2.手性Co3O4电极的阻抗分析与CISS增强机制示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
动力学优势只出现在"该出现的地方"
电位依赖的准原位EIS提供了更有说服力的证据：在低电位（约0.1 V）以双电层充电为主的区间，三种电极的电荷转移电阻差异不大；而在赝电容氧化还原活跃的0.3–0.5 V区间，手性电极的优势显著凸显。如果性能差异源于形貌、载量或电解液可达性等因素，它应当贯穿整个电位窗口；优势恰好只出现在发生电子转移的氧化还原区间，强有力地将其与自旋极化加速的界面电荷转移联系起来。
自旋极化为界面电子转移"提速"
手性Co3O4在无外磁场条件下产生自旋极化电流：自旋极化抑制了界面电子转移过程中的自旋翻转散射，并降低与自旋禁阻跃迁相关的非绝热活化势垒，使载流子更易穿越电极–电解液界面。自旋极化输运还可能均一化电极表面电荷分布、抑制少数自旋载流子的局域积累，从而促进离子扩散并抑制副反应。与磁场辅助策略不同，CISS内禀地作用于电子输运过程，不依赖磁流体动力学对流或洛伦兹力驱动的传质，因而机制更为纯粹。
这项工作首次将"手性"确立为超级电容器材料设计的新维度，为下一代储能器件乃至更广泛的"自旋" 电化学器件提供了一条无磁场的通用路径。
期刊介绍
Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。
来源：Angewandte Chemie
