Cobalt Single-atom Sites for Kinetically Enhanced Rate Performance of Carbon-based Supercapacitor Electrodes

doi:10.7503/cjcu20260201

Abstract

Abstract:

To elucidate the influence of adjacent transition-metal single-atom sites on the energy-storage kinetics of carbon-based supercapacitor electrodes， Fe and Co single-atom-modified nitrogen-doped carbon materials， denoted as Fe@NC and Co@NC， were prepared using activated carbon as the carbon substrate via a metal-ligand coordination and carbonization strategy. Nitrogen-doped carbon without metal single-atom sites was used as the control sample. Structural characterizations reveal that NC， Fe@NC， and Co@NC possess similar carbon frameworks and porous structures， while Fe and Co species are highly dispersed and anchored in the nitrogen-doped carbon matrix， forming M-N₄ coordination configurations. Electrochemical measurements show that Fe@NC and Co@NC deliver higher specific capacitances than NC， indicating that the introduction of metal single-atom sites can improve the charge-storage capability of carbon-based electrodes. Fe@NC and Co@NC exhibit comparable specific capacitances at current density of 1 A/g， with values of 106 and 109 F/g， respectively. When the current density increases to 20 A/g， Co@NC retains 55% of its capacitance， markedly higher than Fe@NC（38%）， suggesting that Co single-atom sites are more favorable for improving high-rate capacitance retention. Further kinetic analyses demonstrate that Co@NC possesses a higher capacitive-controlled contribution， lower charge-transfer resistance， and more favorable ion-diffusion behavior， indicating that Co single-atom sites are more effective in facilitating rapid charge/ion transport. These results reveal that the rate-performance enhancement of carbon-based supercapacitor electrodes induced by metal single-atom sites mainly originates from optimized electrochemical kinetics， with Co single-atom sites showing greater advantages in promoting fast energy storage. This study provides mechanistic insight into the regulation of rate performance in carbon-based supercapacitor electrodes through single-atom site engineering.

Key words: Single atom, Carbon-based electrode material, Supercapacitor, Electrochemical kinetics, Rate performance

CLC Number:

O643

TrendMD:

YANG Shaoqing, ZHANG Hao, ZHANG Hanming, ZHANG Wangzhi, ZHANG Haitao, LUO Jun. Cobalt Single-atom Sites for Kinetically Enhanced Rate Performance of Carbon-based Supercapacitor Electrodes[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(10): 20260201.

Figures/Tables 4

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