氮掺杂碳包覆钛铁氧体纳米复合电极的合成与表征及其高性能超级电容器应用

为解决传统超级电容器电极材料能量密度低、循环稳定性差的问题，研究人员通过尿素-甲醛聚合结合高温煅烧法成功制备了钛铁氧体/氮掺杂碳(TiFe2O5@NC)纳米复合材料。该材料展现出226.09 m2/g的高比表面积，在20 mV/s扫描速率下获得1016 F/g的比电容，能量密度达62.3 Wh/kg，5000次循环后电容保持率88.8%，为下一代高性能超级电容器电极设计提供了新思路。

　　

随着全球能源危机加剧和环境污染问题日益严峻，开发高效、清洁的能源存储技术成为当务之急。尽管太阳能、风能等可再生能源发展迅猛，但其间歇性供电特性亟需配套高性能储能装置。超级电容器(Supercapacitor)因其功率密度高、循环寿命长等优势备受关注，但现有电极材料普遍面临能量密度不足的瓶颈。传统过渡金属氧化物如TiO₂虽具有良好电化学稳定性，但比电容有限；而纯碳材料虽导电性好却依赖物理储电机理。如何通过材料设计协同提升导电性与法拉第反应活性，成为该领域的关键科学问题。

在此背景下，Amran大学Basheer M. Al-Maswari团队与沙特阿拉伯北方边境大学合作，创新性地将钛铁氧体(TiFe₂O₅)与氮掺杂碳(NC)复合，通过聚合物前驱体热解法成功制备出TiFe₂O₅@NC纳米复合材料。研究发现该材料不仅保留了TiFe₂O₅的赝电容特性，还通过氮掺杂碳网络显著提升了电荷传输效率，最终实现比电容4.6倍于纯相钛铁氧体的突破性性能。相关成果发表在《Inorganic Chemistry Communications》上，为开发兼具高能量密度和长循环寿命的超级电容器电极提供了新范式。

研究采用尿素-甲醛聚合结合高温煅烧的合成策略，通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)进行结构表征，场发射扫描电镜(FE-SEM)和高分辨透射电镜(HR-TEM)观察形貌，比表面积分析(BET)测定孔隙结构，振动样品磁强计(VSM)分析磁性能，并系统测试了循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)等电化学性能。

XRD分析
衍射峰证实材料具有伪板钛矿结构，2θ=33.12°、35.51°等特征峰对应(311)、(400)晶面，且氮掺杂未破坏晶体结构。

形貌表征
FE-SEM和HR-TEM显示TiFe₂O₅纳米颗粒(约20 nm)均匀分散在碳基质中，这种独特结构有利于电解质渗透和电子传输。

比表面积分析
BET测得226.09 m²/g的高比表面积，为氧化还原反应提供充足活性位点。

磁性能测试
VSM显示材料具有铁磁性，饱和磁化强度达35.47 emu/g，拓展了其在磁电耦合器件中的应用潜力。

电化学性能研究
CV测试显示在20 mV/s扫描速率下比电容达1016 F/g，远超纯TiFe₂O₅的275 F/g；GCD在5 A/g电流密度下更达到1294 F/g。能量密度(62.3 Wh/kg)与功率密度(1560.6 W/kg)的协同提升，突破了传统材料"此消彼长"的性能困境。

循环稳定性
5000次循环后仍保持88.8%初始容量，归因于氮掺杂碳对体积膨胀的缓冲作用和稳定的界面接触。

该研究通过精准的界面工程设计，证实氮掺杂碳与过渡金属氧化物的复合可产生"1+1>2"的协同效应：碳网络提供快速电子传输通道，TiFe₂O₅贡献高理论容量，氮掺杂则通过极性共价键增强电极-电解质相互作用。特别值得注意的是，材料在保持高能量密度(62.3 Wh/kg)时仍能输出1560.6 W/kg的功率密度，这一性能指标已接近部分锂离子电池水平。研究不仅为超级电容器电极材料设计提供了新思路，其采用的聚合物前驱体热解法还具有工艺简单、易于放大的优势，对推动储能器件产业化具有重要意义。未来通过调控氮掺杂浓度和微观形貌，有望进一步突破性能极限，最终实现清洁能源的大规模高效利用。