用于薄膜电子学的均匀SiGe纳米线的平面内生长控制

《Applied Nursing Research》：In-plane growth control of uniform SiGe nanowires for thin film electronics

通过氨水和2-甲基咪唑辅助的湿化学浸渍和碳化处理，成功制备了MnO/MnO?纳米立方体均匀负载的碳纳米纤维复合电极。该电极在0-1.6 V宽窗口下实现1.08 F·cm?2的高面电容、382 μWh·cm?2能量密度及16 mW·cm?2功率密度，循环稳定性达97%以上，弯曲135°时仍能稳定工作，适用于柔性器件。

　　在当今快速发展的科技领域，超级电容器作为一种高效、可持续的能量存储设备，正受到越来越多的关注。其独特的特性，如快速充放电能力、高功率输出以及长循环寿命，使其成为替代传统电池和电容器的重要选择。随着对柔性电子设备、可穿戴技术以及新能源系统的不断探索，开发具有优异性能的新型超级电容器材料成为研究热点。本文围绕一种新型的自由站立式超级电容器电极材料展开研究，该材料通过将二氧化锰（MnO?）与碳纳米纤维（CNFs）结合，展现出显著的储能能力和结构稳定性。

超级电容器主要依赖两种机制进行能量存储：电双层电容（EDLC）和赝电容（pseudocapacitance）。其中，EDLC依赖于电极材料与电解液之间的静电相互作用，而赝电容则通过电极表面发生的快速可逆氧化还原反应实现能量存储。在传统超级电容器中，通常采用高表面积的碳材料（如活性炭、碳纳米管、石墨烯等）来提高EDLC性能，但这些材料的储能能力有限。相比之下，金属氧化物（如MnO、MnO?、Mn?O?、Mn?O?等）具有更高的赝电容性能，能够实现更高的能量密度。然而，金属氧化物本身通常具有较低的导电性，限制了其在超级电容器中的应用。因此，如何有效结合金属氧化物与导电材料，以提高整体性能，成为研究的关键。

本研究通过一种湿化学浸渍和碳化的方法，将二氧化锰（MnO/MnO?）纳米立方体均匀地装饰在碳纳米纤维（CNFs）表面，从而构建了一种自由站立式的超级电容器电极。这种电极不仅具有高表面积和良好的导电性，还能通过结构优化提高能量存储效率。实验过程中，通过调控氨水浓度和2-甲基咪唑（2MI）的添加，实现了对MnO/MnO?纳米立方体形貌的精确控制。氨水的引入有助于在碳纳米纤维表面形成极性基团，这些基团作为有效的成核位点，促进了MnO/MnO?纳米立方体的均匀生长。而2MI则通过在纳米立方体表面形成碳层，增强了其结构稳定性，同时改善了电极材料与碳纳米纤维基底之间的相容性。

研究发现，MnO/MnO?纳米立方体的引入显著提升了电极的储能能力。一方面，纳米立方体的高比表面积和丰富的表面官能团为电荷存储提供了更多的活性位点；另一方面，它们的赝电容特性使得电极能够在较宽的电位窗口内实现更高的能量密度。与此同时，碳纳米纤维的导电性为电荷的快速传输提供了通道，进一步提高了电极的功率密度。实验结果显示，这种MnO/MnO?纳米立方体/CNF电极在0–1?V的电位窗口内表现出高达1.08?F·cm?2的面积电容，382?μWh·cm?2的能量密度，以及16?mW·cm?2的功率密度。当电位窗口扩展至0–1.6?V时，能量密度进一步提升至1146?μWh·cm?2，实现了三倍的增长。这一结果表明，通过合理设计电极结构，可以显著提高超级电容器的储能能力。

此外，该电极在实际应用中表现出良好的循环稳定性。在2?mA·cm?2的电流密度下，经过15,000次充放电循环后，其比电容保留率仍高达97%。这一性能的稳定性对于超级电容器在实际设备中的长期使用至关重要。实验还构建了一种不含粘结剂的柔性袋式电容器，该电容器在135°的弯曲角度下仍能保持94.9%的电容保留率，并成功驱动绿色发光二极管（LED）。这一结果验证了该电极在柔性电子设备中的应用潜力，为未来的可穿戴设备、柔性传感器以及智能服装等提供了新的材料选择。

在材料制备方面，本研究采用了一种创新的工艺流程。首先，通过静电纺丝技术制备了含有锰盐和2MI的PAN纤维，随后将这些纤维浸渍在含有锰盐、2MI和氨水的甲醇溶液中，以实现MnO/MnO?纳米立方体的均匀沉积。整个过程的关键在于对反应条件的精确控制，包括溶液浓度、反应时间以及温度等。通过这种方法，研究人员能够在碳纳米纤维表面形成高度有序的纳米立方体结构，从而优化电荷存储效率和电荷传输路径。值得注意的是，甲醇在反应过程中起到了调节反应动力学的作用，有助于形成更均匀的纳米结构，避免颗粒之间的团聚。

研究还强调了材料结构对电化学性能的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的观察，可以清晰地看到MnO/MnO?纳米立方体在碳纳米纤维表面的均匀分布。这种结构不仅提高了材料的比表面积，还通过优化孔隙结构增强了电解液的渗透性，从而提升了电荷存储效率。同时，纳米立方体与碳纳米纤维之间的界面相互作用也得到了改善，这有助于提高材料的整体导电性和电荷传输速率。这些结构优化措施使得该电极在高电流密度下仍能保持较高的电容性能，为超级电容器在高功率应用中的发展提供了有力支持。

在实际应用方面，这种自由站立式电极的优势在于其轻质、低成本以及良好的可加工性。由于不需要额外的粘结剂或集流体，电极的重量和体积得到了有效控制，这不仅降低了材料成本，还提高了设备的灵活性和适用性。此外，电极的结构设计使其能够适应不同的形状和尺寸，为柔性电子设备的定制化开发提供了便利。实验中，研究人员还测试了该电极在不同电解液环境下的性能表现，发现其在水性电解液中具有优异的稳定性，这进一步拓展了其在环保型储能设备中的应用前景。

为了进一步验证该电极的性能，研究人员还进行了多种电化学测试，包括循环伏安法（CV）、恒流充放电测试（GCD）以及电化学阻抗谱（EIS）。CV测试结果显示，该电极在0–1.6?V的电位范围内具有显著的电流响应，表明其在宽电位窗口下具备良好的电荷存储能力。GCD测试则证实了其在高电流密度下的稳定性能，以及在长时间循环后仍能保持较高电容的特性。EIS测试进一步揭示了该电极的低内阻和良好的离子传输特性，这些特性对于提高超级电容器的功率密度和能量效率至关重要。

从整体来看，本研究通过一种创新的材料合成方法，成功构建了一种兼具高能量密度和高功率密度的自由站立式超级电容器电极。该电极不仅在电化学性能上表现出色，还具有良好的结构稳定性和循环寿命，为未来的高性能储能设备提供了新的思路。同时，该研究也为金属氧化物与碳材料的协同作用提供了新的实验依据，进一步推动了柔性电子设备和可穿戴技术的发展。未来，随着对材料结构和性能的深入研究，以及对合成工艺的不断优化，这种新型电极有望在更广泛的应用领域中发挥重要作用。