本研究通过开发一种Cu/Cu₂O/Cu₂S异质结构，并将其锚定于煤基碳材料上，提出了一种创新方法来提升超级电容器电极材料的性能。通过采用低温预氧化策略和快速焦耳加热，研究人员成功制备出一种复合结构，促进了快速电荷转移，改善了电子迁移，并在循环过程中稳定了铜基化合物。该结构中，Cu/Cu₂O/Cu₂S异质结构的形成增加了伪电容，这得益于多个氧化还原对（Cu⁰/Cu⁺）的存在，显著提高了电极的比电容（在1 A g⁻¹下为2041 Fg⁻¹）。此外，所得材料还表现出优异的稳定性，在经过10,000次循环后，容量保持率为97.29%，显著优于CuₓS等材料的长期循环稳定性。该研究为提升超级电容器的能量密度、功率密度和循环稳定性提供了一种可扩展的有效解决方案，对开发高性能、耐久的能源存储设备具有重要意义。研究还突出了在设计先进电极材料时，利用功能化碳基底的重要性，为可持续能源存储系统的发展提供了新的思路。

图1展示了Cu@OMC的合成过程。首先，煤基碳（RC）经过低温预氧化处理与KOH反应，形成含有丰富氧功能基团（如C–O、=C–H）的氧化煤基碳（OMC）。这些功能基团为铜基化合物提供了均匀的锚定位点。然后，通过快速焦耳加热过程，在1400°C的高温下，铜基前体（如CuCl₂）与OMC反应，最终形成了Cu/Cu₂O/Cu₂S异质结构，并将其紧密结合到煤基碳表面。这一过程优化了材料的电化学性能，提高了电荷转移效率和伪电容。

图2展示了低温预氧化过程和表征结果。图2a展示了从原煤（RC）到氧化煤基碳（OMC）的低温预氧化过程示意图。在这一过程中，原煤与KOH反应，脱水并与碱性物质反应，形成了丰富的氧功能基团（如C–O、=C–H），为后续的铜基化合物的负载提供了活性位点。图2b展示了RC和OMC的N₂吸附-脱附等温线，表明RC具有较低的比表面积（4.0 m²/g），而OMC的比表面积显著增加，达到了507.8 m²/g，说明了预氧化过程成功增加了材料的表面孔隙结构。图2c展示了拉曼光谱，揭示了OMC中含有丰富的缺陷位点，这有助于提高材料的电化学性能。D峰和G峰的比值变化（A_D/A_G）表明OMC具有更高的缺陷密度。图2d展示了XRD图谱，显示RC和OMC均为非晶碳，相比于RC，OMC的晶体结构变得更加无序，这为后续与铜基化合物的结合提供了更好的条件。图2e展示了元素分析，表明通过低温氧化处理，OMC的氧含量从9.41%增加至33.67%，进一步证明了氧化过程的有效性。图2f-g展示了红外光谱（IR）分析，揭示了低温氧化过程中的不同官能团的变化。随着温度的升高，C–O和=C–H官能团的强度增加，表明了氧化过程的有效进行。

图3展示了在快速焦耳加热过程中，铜基化合物与煤基碳之间的反应及表征。图3a展示了Cu@OMC合成过程的示意图，图中说明了铜基前体与OMC反应并转化为Cu/Cu₂O/Cu₂S异质结构。图3b展示了Cu@OMC-1000在1000°C下的XRD图谱，显示了铜基前体Cu₂(OH)₃Cl在此温度下的结构变化，并且表明其开始分解形成铜的氧化物和硫化物。图3c展示了Cu@OMC-1200在1200°C下的XRD图谱，表明随着温度的升高，铜的氧化物Cu₂O和硫化物Cu₂S开始形成，并且材料的晶体结构变得更加复杂。图3d展示了Cu@OMC-1400在1400°C下的XRD图谱，这时铜基化合物完全转化为Cu/Cu₂O/Cu₂S异质结构，表明高温处理有效促进了铜的还原及与碳基底的相互作用。图3e展示了Cu@OMC-1000的SEM图像，显示了高温下材料的表面形貌，表明Cu₂(OH)₃Cl在1000°C下发生了聚集并与碳基底相互作用。图3f展示了Cu@OMC-1200的SEM图像，显示了在1200°C下，材料表面已经开始形成Cu₂O和Cu₂S颗粒，且颗粒分布均匀。图3g展示了Cu@OMC-1400的SEM图像，此时铜基化合物完全转化为Cu/Cu₂O/Cu₂S，并且这些化合物均匀地负载在OMC表面，形成了稳定的异质结构。

图4展示了不同材料的表面形貌和结构特征。图4a展示了Cu@OMC的SEM图像，显示了Cu@OMC的表面均匀分布的Cu、Cu₂O和Cu₂S颗粒，形成了一个稳定的复合结构。这些颗粒在碳基底上的分布较为均匀，有助于增强电荷转移和电解质离子的扩散。图4b展示了Cu@RC的SEM图像，该材料表面相对光滑，未能形成如Cu@OMC那样的均匀颗粒分布，表明碳基底的结构对铜基化合物的分布和稳定性有显著影响。图4c展示了Cu_xS的SEM图像，显示了Cu_xS化合物的颗粒聚集现象，缺乏碳基底的支撑，导致材料在高温处理过程中出现较大的颗粒团聚。图4d展示了Cu@OMC的TEM图像，清楚地显示了材料表面Cu、Cu₂O和Cu₂S的晶体结构。TEM图像揭示了这些晶体在碳基底表面的均匀分布，有助于增强电化学反应的活性。图4e展示了Cu@OMC的高分辨率TEM图像，观察到Cu₂S与碳基底之间的界面效应，显示出一定程度的晶格膨胀，表明了界面重构的存在。图4f展示了Cu@OMC的高分辨率TEM图像，可以观察到Cu颗粒的晶体面为(111)面，同时显示出较为规整的晶格结构，进一步验证了其优良的材料质量。图4g展示了Cu@OMC的元素分布图，显示了Cu、S和O元素在材料表面的均匀分布。通过元素分析，确认了Cu@OMC中的Cu、S和O的均匀分布，从而进一步证明了Cu与OMC的良好结合。

图5展示了通过XPS表征得到的化学成分和氧化态分析结果。图5a展示了Cu@OMC和Cu@RC的XPS全扫描谱，证明了材料表面含有C、Cu、S和O元素。图5b展示了Cu@OMC中C 1s的XPS谱图，其中出现的不同结合能峰分别归属于C–S、O–C–O和C–C等官能团。图5c展示了Cu 2p谱图，揭示了Cu@OMC中Cu⁰和Cu⁺的氧化态，表明其具有较为丰富的氧化还原对。图5d展示了O 1s谱图，表明Cu@OMC中的Cu–O键和C–O键的存在，进一步验证了氧基团在材料中的作用。

图6a展示了CV曲线，Cu@OMC表现出良好的法拉第反应可逆性，说明其电荷传输能力较强。图6b展示了Nyquist图，Cu@OMC的电荷转移阻抗（R_ct）最低，表明其电导性最好。图6c展示了比电容保持率，Cu@OMC在高电流密度下仍能保持较高的比电容，显示出良好的快速充放电性能。图6d展示了电容与扩散贡献分析，表明Cu@OMC在低电流密度下以电容控制为主，高电流密度下扩散效应增加。图6e展示了比电容变化，显示Cu@OMC即使在高电流密度下仍保持较高的比电容，具有优秀的电荷存储能力。图6f展示了GCD曲线，Cu@OMC的充放电曲线对称，证明其电荷存储和释放效率高。图6g展示了电荷存储贡献，显示Cu@OMC的电荷存储主要由电容效应和扩散效应共同作用。图6h展示了线性关系，表明Cu@OMC表现出良好的电容控制。图6i展示了电流响应，Cu@OMC具有更高的电流响应速度，进一步提升其电荷转移能力。图6j展示了循环稳定性，Cu@OMC在10,000次循环后保持97.29%的容量，表现出卓越的稳定性。图6k展示了XRD图谱，Cu@OMC在长时间循环后保持结构稳定，无明显变化。

图7a展示了Cu@OMC作为负电极，AC作为正电极的非对称超级电容器设备的示意图。图7b展示了该设备的电压窗口和速率能力，表明设备在0–1.6 V的宽电压范围内具有良好的速率能力。图7c展示了不同电流密度下的GCD曲线，表明Cu@OMC电极在高电流密度下仍能保持较高的比电容，具有良好的快速充放电性能。图7d展示了能量密度和功率密度的比较，Cu@OMC的表现优于其他文献中类似材料，显示了其优异的能量密度和功率密度。图7e展示了循环稳定性测试，Cu@OMC在10,000次充放电循环后，容量保持率为97.29%，表现出极好的循环稳定性。图7f展示了组装后的设备成功点亮LED灯的实物图，证明了Cu@OMC在实际设备中的应用潜力。

图8a展示了Cu@OMC的原子结构模型，强调了富含氧的碳基底如何与铜基化合物（Cu、Cu₂O、Cu₂S）相互作用，增强了电化学性能。图8b展示了Cu@RC的原子结构模型，与Cu@OMC相比，Cu@RC的结构不如Cu@OMC复杂，电导性和电化学性能较差。图8c展示了Cu@OMC、Cu@RC和Cu_xS的电荷密度差异，表明Cu@OMC具有较大的电子转移区域，有助于提高其电化学性能。图8d展示了Cu@OMC的态密度（DOS）计算，表明其在费米能级附近具有最高的电子密度，增强了其导电性和电化学活性。图8e展示了Cu@RC的态密度（DOS）计算，显示其电子密度相对较低，电化学性能不如Cu@OMC。图8f展示了Cu_xS的态密度（DOS）计算，表明Cu_xS的电子密度较低，且在电化学反应中表现不佳。图8g展示了Cu@OMC的吸附能，表明其能够更快速地进行离子吸附和脱附，提高了功率密度和充放电效率。图8h展示了Cu@OMC、Cu@RC和Cu_xS的Warburg常数，表明Cu@OMC具有更小的迁移能量屏障，更好的离子扩散能力。图8i展示了Cu@OMC的电荷转移区域，证明氧化碳基底促进了电子迁移，有助于提高电化学性能。图8j展示了Cu@RC的电荷转移区域，相比Cu@OMC，其电荷转移区域较小，表明Cu@RC的电化学性能较差。

本研究通过结合低温预氧化策略和快速焦耳加热，成功制备了Cu/Cu₂O/Cu₂S异质结构，并将其锚定于煤基碳上，显著提升了电极材料的电化学性能，特别是在比电容和循环稳定性方面。多价态Cu/Cu⁺红ox对的形成增强了伪电容，并促进了电荷转移，最终使复合材料在1 A g⁻¹下达到了2041 Fg⁻¹的比电容，并在经过10,000次循环后保持了97.29%的容量保持率。与其他材料相比，所制备的Cu@OMC电极在能量密度和功率密度上表现出色，并有效避免了电极材料的脱落和粒子团聚，确保了长时间的稳定运行。该研究为超级电容器的高性能电极材料提供了一种新型设计思路，未来可以通过优化异质结构和探索更多的功能化碳基底，进一步提升电容器的综合性能，推动其在可持续能源存储系统中的应用。