利用苹果提取物作为天然螯合剂和稳定剂，通过环保的溶胶-凝胶法合成NiO纳米颗粒，以提升能量存储性能

《Materials Science and Engineering: B》：Eco-friendly sol–gel synthesis of NiO nanoparticles using apple extract as a natural chelating and stabilizing agent for enhanced energy storage performance

本研究采用苹果提取物作为绿色合成剂，通过溶胶-凝胶燃烧法制备了高结晶度的NiO纳米颗粒。XRD和FESEM证实其立方晶系和~21 nm平均尺寸，BET比表面积达28.90 m2/g。电化学测试显示其具有1845 F/g的高比电容和低内阻（2.02 Ω），优异的伪电容特性及循环稳定性，为可持续超级电容器电极提供了高效解决方案。

　　本研究旨在通过一种绿色的溶胶-凝胶燃烧法，利用苹果提取物作为螯合剂和天然燃料，合成镍氧化物（NiO）纳米颗粒。这种合成方法不仅环保，而且能够提供高纯度、纳米尺度的材料，适用于高性能超级电容器电极的应用。研究团队由来自印度浦那Sir Parshurambhau学院化学系的多位研究人员组成，他们系统地探讨了苹果提取物在纳米材料合成中的作用及其对超级电容器性能的影响。

超级电容器因其高功率输出、快速充放电能力和卓越的循环稳定性，被广泛认为是可持续能源存储的重要候选材料。然而，电极材料的类型和性能直接影响这些设备的整体表现。在众多电极材料中，过渡金属氧化物因其优异的电化学性能和成本效益而受到关注。其中，镍氧化物（NiO）因其可逆的Ni2?/Ni3?氧化还原反应而表现出良好的电化学活性。然而，传统的NiO合成方法通常需要使用有害化学品、高温和高能耗条件，这些因素限制了其在大规模生产中的应用，并对环境造成潜在影响。

为了克服这些问题，近年来绿色合成技术得到了广泛关注。这些方法通常利用植物提取物中的天然化合物，如黄酮类、多酚和有机酸，作为还原剂、稳定剂和燃料，以实现环境友好的纳米材料合成。苹果（Malus domestica）作为一种常见且可再生的植物资源，富含多种有机酸和多酚，如氯ogenic酸、咖啡酸、槲皮素和儿茶素，这些成分在纳米材料合成中具有重要的作用。它们不仅能够与金属离子形成稳定的螯合物，还能促进凝胶的均匀形成和燃烧过程的控制，从而获得具有高结晶度和优良形态的纳米颗粒。

本研究中，苹果提取物被用作NiO纳米颗粒合成的天然螯合剂和燃料。通过这种方法，研究人员成功合成了具有立方晶体结构的NiO纳米颗粒，并且其平均晶粒尺寸约为21纳米。X射线衍射（XRD）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析进一步验证了这些纳米颗粒的结构和形态。XRD结果显示，NiO纳米颗粒的特征衍射峰对应于（111）、（200）、（220）和（311）晶面，分别出现在2θ角为37.6°、43.7°、63.2°和75.8°的位置，表明其具有高度的相纯度和结晶性。FESEM图像则显示了纳米颗粒的均匀分布和规则的球形形态，进一步支持了其良好的结晶度。

为了进一步评估NiO纳米颗粒的光学性质，研究团队进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。FTIR结果确认了NiO纳米颗粒中Ni–O键的存在，这表明其表面化学特性与传统合成方法所得材料相似。此外，紫外-可见光谱（UV-Vis）和光致发光（PL）研究揭示了NiO纳米颗粒的直接带隙为3.52电子伏特（eV），这一特性对于光电器件和能量存储应用具有重要意义。较高的带隙值通常意味着材料具有较低的缺陷密度，从而提升了其光学质量和电化学性能。

在表面特性方面，研究人员利用Brunauer-Emmett-Teller（BET）方法测定了NiO纳米颗粒的比表面积，结果为28.90平方米/克（m2/g）。这一较高的比表面积表明纳米颗粒具有较强的表面反应活性，这对于超级电容器的电荷存储和离子传输至关重要。高比表面积通常意味着更大的电荷存储能力，因为更多的活性位点可以参与电化学反应。

在电化学性能评估方面，研究团队通过多种测试方法，如循环伏安法（CV）、恒流充放电测试（GCD）和电化学阻抗谱（EIS），系统地分析了NiO纳米颗粒作为超级电容器电极的潜力。CV测试结果表明，NiO纳米颗粒表现出显著的赝电容行为，这主要归因于其可逆的Ni2?/Ni3?氧化还原反应。在40毫伏/秒（mV/s）的扫描速率下，NiO电极的比电容达到了1845法拉/克（F/g），这一数值远高于传统电极材料的比电容。同时，EIS测试显示该电极具有较低的内部电阻（2.02欧姆），这表明其能够实现高效的电荷传输和离子扩散。

尽管在较高的电流密度下（如5安培/克，A/g），NiO纳米颗粒的比电容有所下降，降至109.8 F/g，但其仍然表现出良好的可逆性和结构稳定性。这种性能的保持意味着NiO纳米颗粒在实际应用中具有良好的循环寿命和稳定性，这对于超级电容器的长期使用至关重要。此外，研究人员还发现，苹果提取物中的多种羟基化合物能够加速溶胶-凝胶燃烧过程中的氧化还原反应，从而进一步提高NiO纳米颗粒的电化学活性。

在合成过程中，苹果提取物不仅作为螯合剂和燃料，还对纳米颗粒的形成和结晶过程起到了关键作用。其独特的化学组成使得NiO纳米颗粒能够具有更精细的形态和更均匀的粒径分布，这在电化学性能上带来了显著优势。与传统的合成方法相比，这种绿色合成方法不仅减少了有害化学品的使用，还降低了能耗，为大规模生产提供了可持续的解决方案。

为了验证苹果提取物在纳米材料合成中的广泛应用潜力，研究团队还参考了其他相关研究。例如，利用天竺葵提取物合成掺杂氧化铈（CeO?）纳米颗粒的研究表明，不同掺杂水平对材料的光学和电化学性能有显著影响。而在另一项研究中，使用芦荟提取物合成银包裹镍氧化物（Ag@NiO）纳米颗粒的结果显示，该材料在1摩尔/升（M）氢氧化钾（KOH）电解液中表现出高达535 F/g的比电容，并且在2000次循环后仍能保持约2%的容量保持率。这些研究结果表明，利用植物提取物合成电化学活性材料的策略是可行的，并且能够有效提升材料的性能。

此外，黑茶提取物已被用于合成氧化锌（ZnO）纳米颗粒，并通过不同温度下的煅烧处理优化其电化学性能。在900°C煅烧后的样品表现出最高的初始放电容量，达到200毫安时/克（mAh/g），而500°C和700°C煅烧的样品则分别表现出90和70 mAh/g的放电容量。这表明，通过控制煅烧温度可以进一步优化纳米材料的性能。类似的，研究团队在本工作中发现，苹果提取物中的多种成分能够有效促进NiO纳米颗粒的形成，并且其独特的化学组成有助于提升材料的电化学活性。

综上所述，本研究通过绿色溶胶-凝胶燃烧法，利用苹果提取物成功合成了具有优异电化学性能的NiO纳米颗粒。这些纳米颗粒不仅表现出高比电容、低内阻和良好的结构稳定性，还具有较高的比表面积和优良的光学性质，这使得它们成为超级电容器电极材料的理想选择。此外，该研究强调了苹果提取物在纳米材料合成中的重要性，为未来开发更多基于天然资源的高性能电极材料提供了新的思路和方法。

本研究的成果不仅拓展了绿色合成技术的应用范围，还为可持续能源存储技术的发展做出了贡献。通过利用苹果提取物作为天然前驱体，研究人员成功实现了对NiO纳米颗粒的精确控制，使其在结构、形态和电化学性能上均达到较高水平。这种绿色合成方法的推广和应用，有望减少传统合成过程中对环境的污染，同时降低生产成本，提高材料的可得性。因此，苹果提取物介导的NiO纳米颗粒合成不仅是一种创新的材料制备技术，也为未来的绿色能源存储设备提供了重要的基础材料支持。

此外，本研究还强调了苹果提取物在纳米材料合成中的多功能性。除了作为螯合剂和燃料外，其丰富的有机酸和多酚成分还能够调节纳米颗粒的生长过程，促进其形成更均匀、更稳定的结构。这种特性使得苹果提取物在合成其他类型的纳米材料时也具有潜在的应用价值。例如，苹果提取物可能被用于合成其他过渡金属氧化物或复合材料，以进一步提升其在能源存储、催化反应和传感器等领域的性能。

在电化学性能方面，NiO纳米颗粒表现出良好的赝电容行为，这主要得益于其可逆的Ni2?/Ni3?氧化还原反应。这种反应机制不仅能够提供较高的比电容，还能确保电极材料在多次充放电循环中的稳定性和可逆性。研究团队的实验结果表明，NiO纳米颗粒在40 mV/s的扫描速率下表现出高达1845 F/g的比电容，这一数值在当前的超级电容器研究中属于较高水平。同时，该材料在5 A/g的电流密度下仍能保持较高的容量，尽管其比电容有所下降，但这一性能仍然优于许多传统电极材料。

本研究还通过电化学阻抗谱（EIS）分析了NiO纳米颗粒的内部电阻特性。结果表明，该材料的内部电阻仅为2.02欧姆，这一低电阻值意味着其能够实现高效的电荷传输和离子扩散，这对于超级电容器的快速充放电能力至关重要。低内阻通常与材料的高导电性和良好的电荷传输路径有关，而NiO纳米颗粒的这种特性使其在高功率密度应用中具有显著优势。

在实际应用中，NiO纳米颗粒的高比电容和低内阻特性使其成为超级电容器电极材料的有力竞争者。与其他传统电极材料相比，NiO纳米颗粒不仅具有更高的能量密度，还能够在较宽的电压范围内工作，这进一步提升了其在超级电容器中的应用潜力。此外，其良好的结构稳定性和可逆性意味着该材料能够在长期使用中保持较高的性能，这对于实际应用中的设备寿命和可靠性具有重要意义。

通过本研究，研究人员不仅验证了苹果提取物在合成NiO纳米颗粒中的有效性，还为未来开发基于天然资源的高性能电极材料提供了理论支持和技术参考。苹果提取物作为一种低成本、易获取的天然资源，其在纳米材料合成中的应用具有广阔的前景。未来的研究可以进一步探索苹果提取物在合成其他类型纳米材料中的作用，以及如何通过优化合成条件来进一步提升材料的性能。

本研究的结果表明，绿色合成技术在纳米材料制备中的应用不仅能够减少环境负担，还能够提供具有优异性能的材料。这种技术的推广和应用，将有助于推动可持续能源存储技术的发展，并为未来高性能电极材料的开发提供新的方向。通过结合绿色合成方法和先进材料科学，研究人员能够创造出既环保又高效的新型电极材料，从而满足现代能源存储设备对高性能、低成本和可持续性的需求。

在材料科学和能源存储领域，绿色合成技术正逐渐成为主流趋势。与传统的化学合成方法相比，绿色合成方法能够提供更环保、更经济的材料制备途径。通过利用天然植物提取物，研究人员不仅能够减少对有害化学品的依赖，还能够获得具有独特物理化学性质的纳米材料。这种材料的制备方法不仅适用于NiO纳米颗粒，还可能扩展到其他类型的纳米材料，如金属氧化物、硫化物和复合材料等。

此外，苹果提取物作为一种富含有机酸和多酚的天然资源，其在纳米材料合成中的应用具有重要的研究价值。这些成分不仅能够作为还原剂和稳定剂，还能够促进纳米颗粒的均匀生长和结构优化。因此，苹果提取物在纳米材料合成中的作用不仅限于简单的化学反应，还可能涉及复杂的物理和化学过程，如氧化还原反应、凝胶化过程和燃烧反应等。

本研究的发现为未来绿色合成技术的应用提供了重要的启示。通过合理选择植物提取物，并优化合成条件，研究人员可以创造出具有优异性能的纳米材料，从而满足不同应用场景的需求。同时，这种技术的推广也有助于推动可持续发展，减少对环境的负面影响，并促进绿色化学的发展。

总之，本研究通过绿色溶胶-凝胶燃烧法成功合成了具有优异电化学性能的NiO纳米颗粒，并证实了苹果提取物在纳米材料合成中的重要性。这些纳米颗粒不仅表现出高比电容、低内阻和良好的结构稳定性，还具有较高的比表面积和优良的光学性质，这使得它们成为超级电容器电极材料的理想选择。本研究的结果表明，绿色合成技术在纳米材料制备中的应用具有广阔的前景，并为未来高性能、低成本和可持续的能源存储技术提供了新的思路和方法。