铬掺杂镁铁氧体(MgFe2O4)纳米颗粒的燃烧合成及其在超级电容器电极中的性能增强机制研究

本研究针对超级电容器(SC)电极材料能量密度不足的问题，通过燃烧合成法制备铬掺杂镁铁氧体(MgFe(2-x)CrxO4)纳米颗粒，证实3 mol% Cr掺杂样品在6 M KOH电解液中展现558.26 F g-1的高比电容及10,000次循环后88.42%的稳定性，为高性能SC电极设计提供新思路。

　　

能源危机与环境污染的双重压力下，开发高效储能器件成为全球科研热点。超级电容器(SC)因其功率密度高、循环寿命长等优势备受关注，但其能量密度不足制约了广泛应用。传统电极材料如碳基双电层电容器(EDLC)虽稳定性好，但容量有限；过渡金属氧化物虽可通过法拉第反应提升容量，却面临导电性差、结构不稳定等挑战。镁铁氧体(MgFe₂O₄)因其独特的尖晶石结构和多价态特性成为潜力材料，但纯相材料电化学性能仍有提升空间。

为解决上述问题， Shri Mata Vaishno Devi大学的研究团队通过燃烧合成法制备了铬掺杂镁铁氧体(MgFe_(2-x)Cr_xO₄, x=0-5 mol%)纳米颗粒，系统研究了其结构特征与电化学性能的关联性。研究发现3 mol% Cr掺杂样品(SM4)在6 M KOH电解液中展现出558.26 F g^-1的超高比电容，且在60 A g^-1大电流下经10,000次循环仍保持88.42%的容量，相关成果发表于《Inorganic Chemistry Communications》。

研究采用X射线衍射(XRD)确认晶体结构，场发射扫描电镜(FESEM)观察形貌，X射线光电子能谱(XPS)分析元素化学态，结合循环伏安法(CV)、恒电流充放电(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)评估电化学性能。

XRD分析
所有样品均呈现立方尖晶石结构(Fd-3m空间群)，Cr³⁺掺杂导致衍射峰向低角度偏移，证实晶格膨胀。Williamson-Hall法计算显示晶粒尺寸(28-34 nm)大于Scherrer公式结果(21-26 nm)，表明存在微应变效应。

微观形貌与成分
FESEM显示颗粒呈多孔团聚态，平均粒径约50 nm，与XRD结果吻合。能量色散X射线谱(EDS)证实样品纯度，XPS揭示Cr³⁺取代Fe³⁺导致Fe 2p结合能位移，验证了离子替代机制。

电化学性能
CV曲线在-0.2至0.6 V(vs. Hg/HgO)呈现典型氧化还原峰，表明赝电容行为。SM4电极在5 mV s^-1扫描速率下面积比电容达558.26 F g^-1，优于已报道的Ni掺杂(119.04 F g^-1)和Zn掺杂(484.6 F g^-1)体系。GCD测试显示SM4在4 A g^-1电流密度下容量保持率达68.88%，EIS谱中0.18 Ω的低电荷转移电阻印证其优异导电性。

该研究通过精确调控Cr³⁺掺杂浓度，优化了镁铁氧体的电子结构和离子传输动力学。Cr³⁺的引入不仅扩大晶格间距促进离子扩散，其稳定的3d³电子构型还增强了材料导电性。多孔形貌提供丰富活性位点，部分反尖晶石结构则赋予材料结构稳定性。这些协同效应使SM4电极兼具高容量和长循环特性，为开发下一代高性能SC电极材料提供了理论依据和实践范例。