铝氮共掺杂氧化锌修饰碳纳米纤维的简易合成及其超级电容器性能研究

【编辑推荐】为应对传统能源存储技术的局限性，研究人员通过电纺丝和浸渍涂层法成功制备了Al/N共掺杂且ZnO纳米颗粒修饰的碳纳米纤维（CNFs）。该材料在850°C热处理后展现出206.28 Fg-1 的高比电容，显著提升了超级电容器的电荷存储效率，为可再生能源存储提供了新型电极材料解决方案。

　　

随着全球能源需求激增，传统能源存储技术因效率低、寿命短等问题难以满足需求。超级电容器（Supercapacitor）因其高功率密度和快速充放电特性成为研究热点，但其电极材料性能仍有提升空间。碳纳米纤维（CNFs）因优异的导电性和结构可调性被广泛关注，但单纯CNFs的电容性能有限。如何通过材料改性突破性能瓶颈，成为能源存储领域的关键问题。

在此背景下，研究人员通过创新性设计，将铝（Al）、氮（N）共掺杂与氧化锌（ZnO）纳米颗粒修饰相结合，开发出高性能CNFs电极材料。研究采用电纺丝（Electrospinning）技术制备聚丙烯腈（PAN）纳米纤维，通过浸渍涂层法引入Al和ZnO前驱体，经850°C高温热处理获得最终材料。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了Zn-O键的存在，X射线衍射（XRD）显示材料成功碳化并形成晶体结构。电化学测试表明，该材料比电容达206.28 Fg^-1
，显著优于传统电极。

主要技术方法

1. 电纺丝制备PAN纳米纤维基底；
2. 浸渍涂层法负载Al/ZnO前驱体；
3. 高温碳化（850°C）实现掺杂与结构稳定化；
4. 电化学工作站测试比电容和循环性能。

研究结果

• 化学键分析：FTIR谱中693 cm^-1
  处的Zn-O伸缩振动峰证实ZnO成功锚定。
• 结构表征：XRD显示碳化后形成石墨化结构，Al/N掺杂未破坏CNFs骨架。
• 电化学性能：三电极体系测试显示，ZnO的引入显著提升氧化还原活性，比电容较未修饰CNFs提高40%。

结论与意义
该研究通过Al/N共掺杂与ZnO修饰的协同效应，实现了CNFs导电性和电容性能的双重提升。材料的高比电容和稳定性为超级电容器在可再生能源存储中的应用提供了新思路，相关成果发表于《Journal of Molecular Structure》。未来可通过优化掺杂比例进一步挖掘材料潜力，推动能源存储技术革新。