g-C3N4封装尖晶石CuNiMn2O4纳米复合材料的双功能传感与储能应用研究

本文推荐研究人员通过溶胶-热法制备了g-C3N4封装的尖晶石CuNiMn2O4纳米复合材料（CNM@1% G和CNM@3% G），用于解决非酶葡萄糖传感和超级电容器电极材料的性能瓶颈问题。研究表明，3% g-C3N4掺杂的复合材料展现出卓越的灵敏度（1268 mA μM-1 cm-2）和超电容性能（195 F/g），为糖尿病监测和新能源器件开发提供了创新解决方案。

　　

研究背景与意义
全球糖尿病患病人数已超5.37亿，血糖监测和可持续能源存储成为健康与能源领域的双重挑战。传统酶基传感器存在环境稳定性差、成本高等缺陷，而超级电容器的能量密度与循环稳定性亟待提升。尖晶石型过渡金属氧化物（AB₂O₄）因其多价态特性和结构可调性成为理想候选材料，但导电性差制约其应用。印度韦洛尔理工学院（VIT）的研究团队创新性地将二维石墨相氮化碳（g-C₃N₄）与三元尖晶石CuNiMn₂O₄（CNM）复合，在《Sensors and Actuators A: Physical》发表的研究成果为这一领域带来突破。

关键技术方法
研究采用溶胶-热法制备CNM纳米颗粒，通过热分解法合成g-C₃4，以1%和3%比例复合形成CNM@G系列材料。采用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）和高分辨透射电镜（HRTEM）表征结构，X射线光电子能谱（XPS）分析元素价态。电化学测试包括循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和恒电流充放电（GCD），镍泡沫替代传统玻碳电极（GCE）构建三电极和两电极体系。

研究结果
Phase Analysis
XRD证实成功合成纯相尖晶石结构，g-C₃N₄的（100）晶面特征峰（27.4°）与CNM的（311）等晶面共存。HRTEM显示g-C₃N₄纳米片包裹CNM纳米颗粒形成异质结，XPS揭示Mn^2+/3+、Ni^2+/3+和Cu⁺/²⁺多价态共存。

Electrochemical Performance
CNM@3% G在葡萄糖检测中表现最优：灵敏度达1268 mA μM^-1 cm^-2，检测限（LOD）低至0.305 μM，优于多数报道的二元金属氧化物传感器。超级电容器测试中，1 A/g电流密度下比电容达195 F/g，两电极体系保持13 F/g（4 A/g），能量/功率密度分别为4.06 Wh kg^-1和235 kW kg^-1，2500次循环后效率保持100%。

结论与展望
该研究通过精准调控g-C₃N₄掺杂比例，首次实现三元尖晶石氧化物在双功能应用中的协同增强。Mn的多氧化态与g-C₃N₄的导电网络共同促进电荷转移，镍泡沫基底设计提升器件实用性。这项工作为开发低成本、高稳定性的健康监测-能源集成器件提供了新思路，其材料设计策略可拓展至其他多功能纳米复合材料体系。