通过水热法制备的创新MgCrO?/rGO复合材料用于超级电容器应用

《Polyhedron》：Hydrothermally fabricated innovative MgCrO 4/rGO composite for supercapacitor activities

通过水热法成功制备了MgCrO4/rGO纳米复合材料，在碱性电解质中表现出1415 F/g的高比电容、237.5 W/kg的功率密度和44.3 Wh/kg的能量密度，循环稳定性达3000次后仍保持性能。rGO的引入增强了导电性和离子传输效率，解决了MgCrO4纳米颗粒易团聚的问题。

　　

Zarghuna Firdous|Haifa A. Alyousef|B.M. Alotaibi|Albandari.W. Alrowaily|Hala M. Abo-Dief|Ahmed Hussain Jawhari|Abhinav Kumar

巴基斯坦陶恩萨·谢里夫政府研究生学院物理系，邮编32100

摘要

近几十年来，研究界对用于超级电容器的可调纳米结构材料给予了显著关注，这受到对环保能源需求增加的影响。为了通过改进电极成分来应对这些挑战，基于金属氧化物的rGO纳米复合材料在包括能量转换和存储在内的多个领域展现了巨大的潜力。本研究采用直接的水热法制备了MgCrO₄/rGO纳米片混合物作为电解质材料，并通过多种物理化学和电化学技术对其形态和结构进行了分析。在2 M碱介质（KOH）中，于0.0–0.6 V的有限电位窗口内评估了该纳米复合材料的电化学性质。电化学结果显示，MgCrO₄/rGO纳米复合材料的比电容（C_s）达到了1415 F/g @ 1 A/g。较高的C_s与rGO的晶体尺寸和较大的表面积（SA）以及MgCrO₄和rGO之间的协同效应有关。此外，能量密度为44.3 Wh/kg，功率密度为237.5 W/kg @ 1 A/g。实验还表明，当MgCrO₄和rGO之间的溶液电阻（R_s = 0.94 Ω）较小时，离子传输效率显著提高。多种稳定性测试表明，MgCrO₄/rGO在3000次循环后仍能保持稳定的性能和结构。我们的研究结果表明，这种纳米复合材料具有出色的电化学性能，可以用于解决与能源相关的各种问题。

引言

全球人口面临着因广泛使用化石燃料（尤其是石油和煤制气体产品）而带来的严重威胁，这些燃料对生态环境有负面影响，包括全球变暖[1]。因此，研究人员越来越关注经济、环保且可持续的储能技术，以减少对不可再生资源的快速消耗和缓解全球变暖的负面影响[2]。超级电容器（也称为超电容器）因其较高的功率密度（P_d，约10 kW/kg）而受到关注，远高于传统储能装置（150 W/kg）。此外，它们出色的可靠性、长期使用能力和快速的充放电循环使其成为混合动力汽车的理想选择，可以提升电池的效率[3]。超级电容器根据能量存储机制主要分为两类：一种是伪电容器（PC_s），另一种是双电层电容器（EDLC_s）。伪电容器的能量存储主要通过界面双层的形成和快速的法拉第反应实现[4]。碳基材料，如活性炭、碳气凝胶、石墨烯、介孔碳和富勒烯，常被用作双电层电容器的电极[5]。在双电层电容器中，能量储存在电极边缘的双层结构中，因此它们具有出色的耐用性和非法拉第氧化还原循环下的快速充放电能力。由于伪电容器材料具有更高的C_s和能量密度（E_d，因此在超级电容器的发展中，人们重点关注开发具有更高C_s、P_d和离子迁移率的可靠电极成分[6]。 由贵金属（如Ru、Pd和Ir）制成的电催化剂具有更高的电容、更低的电阻和良好的导电性。然而，这些材料的成本高昂且在地壳中的储量有限，限制了其广泛应用。为了制备经济、耐用且稳定的金属电极，研究人员研究了多种过渡金属（TM）相关的催化剂，包括硫化物（TMSs）、磷化物（TMPs）、硒化物（TMSes）和氧化物（TMOs）[7]。近年来，许多研究者因TMOs优异的氧化还原反应性能、更高的C_s和更好的导电性而对其产生了浓厚兴趣[8]。在基于TMOs的电极材料中，金属铬酸盐（ABO₄）因其良好的氧化还原性能和稳定的结构而受到特别关注，例如CaCrO₄ [9]、MgCrO₄ [10]、SrCrO₄ [11] 和 CoCrO₄ [12]，它们具有较大的表面积（SA）、较长的循环寿命、较高的倍率容量和优异的电催化效率[13]。其中，正交结构的镁铬酸盐（MgCrO₄）无毒、价格低廉，价态多样，具有出色的氧化还原反应性能，从而实现了更高的C_s和能量密度（E_d。因此，将镁（Mg²⁺）和铬（Cr⁶⁺）离子结合到单相化合物MgCrO₄中至关重要[14]。然而，MgCrO₄纳米颗粒容易自聚集，这会降低其表面积，减少活性位点数量，并阻碍离子传输[15]。为了解决这些问题，基于碳的材料（如氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNTs）、还原氧化石墨烯（rGO）和石墨碳氮化物（g-C₃N₄）成为了非常有吸引力的选择。在材料科学领域，二维rGO因其显著的物理化学和电学性质以及较大的表面积而受到广泛关注，使其成为超级电容器的理想候选材料[16]。最近的研究探索了将TMOs与高导电性rGO结合，以显著提高电极的电化学活性和整体效率[17]。将rGO掺入MgCrO₄中有望显著改善新制备纳米复合材料的电化学性能。MgCrO₄与rGO之间的协同效应不仅提高了导电性，增强了比表面积（SA），还有效减少了颗粒聚集[18]。基于这些优势，MgCrO₄/rGO复合材料因其卓越的稳定性和应用潜力而受到广泛关注。Nandagopal等人通过水热法制备了CoMoO₄@rGO，其在5000次循环后的比电容为1425 F/g @ 1 A/g [19]。Jinlong等人通过水热法制备的CoMoO₄@RGO在2000次循环后的比电容为856.2 F/g @ 1 A/g [20]。Jiqiu等人制备的RGO/ZnCo₂O₄在3000次循环后的比电容为680 F/g [21]。本研究提出了一种利用水热法合成的独特MgCrO₄/rGO复合材料，作为高效的超级电容器电极基底。在受控的水热条件下，MgCrO₄与rGO的协同作用促进了均匀的颗粒分布和增强的界面接触，从而改善了电子传输、离子迁移率和稳定性，这些都是理想储能行为的关键特征。值得注意的是，MgCrO₄/rGO组合在超级电容器电极领域尚未有相关报道，这使得我们的工作成为加强下一代储能技术材料体系的一项创新尝试。

化学试剂

所有用于制备MgCrO₄/rGO的化学试剂如下：六水合硝酸镁（Mg (NO₃)₂.6H₂O（AnalaR，纯度98.9%）、九水合硝酸铬（III）（Cr (NO₃)₃.9H₂O（Merck，纯度98.0%）、乙醇（C₂H₅OH，Nanochemazone，纯度≥99.8%）、硫酸（H₂SO₄（Pancreac，纯度98%）、一水合肼（H₆N₂O（Fisher Scientific，纯度98%）、氢氧化钾（KOH，Normapur，纯度98.8%）、石墨粉（Merck，纯度99.9%）、丙酮（CH₃COCH₃，AnalaR，纯度≥99.8%）和盐酸（HCl）。

物理化学方法

XRD测试对于分析样品的晶体结构和相纯度至关重要。图1显示了纯MgCrO₄和MgCrO₄/rGO纳米复合材料的XRD谱图。MgCrO₄的衍射峰位于2θ = 25°、33.3°、36.4°、39.7°、41.8°、50.7°、55.2°、60.9°、64.1°、65.9°和73°，对应于hkl (111)、(200)、(220)、(221)、(310)、(240)、(223)、(024)、(152)和(243)晶面，属于正交结构（参考代码：01–072-1606），晶胞参数为a = 5.4970, b = 8.3680。

结论

本研究旨在制备新型催化剂MgCrO₄和MgCrO₄/rGO，以提高电化学性能。作为一种用于储能应用的导电材料，MgCrO₄/rGO复合材料通过水热法成功制备，具有低成本、可控的形态、优异的效率和环保特性。多种技术被用来评估样品的物理性能。SEM分析证实了这种纳米复合材料的优异性能。

CRediT作者贡献声明

Zarghuna Firdous：撰写原始稿件。 Haifa A. Alyousef：资金获取、数据管理、概念构思。 B.M. Alotaibi：数据管理、概念构思。 Albandari.W. Alrowaily：项目管理、方法设计。 Hala M. Abo-Dief：数据可视化、验证。 Ahmed Hussain Jawhari：方法设计、正式分析。 Abhinav Kumar：监督、正式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得Princess Nourah bint Abdulrahman大学研究支持项目（项目编号PNURSP2025R32）的支持。