镍锰氧化物纳米棉颗粒与纳米纤维的结构、磁性与电化学储能特性研究

本研究通过溶胶-凝胶燃烧法和静电纺丝技术成功合成NiMn2O4纳米材料（SG-800与ES-400），系统表征其立方尖晶石结构、多价态Mn离子分布及室温顺磁-低温铁磁转变特性。材料在非镍基底（玻碳电极）上展现出扩散控制的法拉第氧化还原储能潜力，与碳气凝胶（CA）构建的混合超级电容器（HSC）中，SG-800因高结晶度与活性位点优势表现出更优的电容性能，为过渡金属氧化物在能源存储领域的应用提供新思路。

　　

研究背景与意义

过渡金属氧化物因其独特的电子结构和多价态特性，在能源存储领域备受关注。其中，镍锰氧化物（NiMn₂O₄）因其立方尖晶石结构和Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺多价态共存，展现出优异的磁学与电化学性能。然而，传统合成方法往往面临颗粒尺寸不均、活性位点不足等问题，且多数研究在镍基底上测试，导致结果受基底干扰。如何通过可控合成获得高性能NiMn₂O₄纳米材料，并揭示其储能机制，成为亟待解决的科学问题。

研究方法

研究团队采用两种低成本可放大的方法制备NiMn₂O₄：溶胶-凝胶燃烧法（SG-800，800°C煅烧）获得纳米棉状颗粒，静电纺丝法（ES-400，400°C煅烧）制备纳米纤维。通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和透射电镜（HRTEM）分析结构，振动样品磁强计（VSM）研究磁学性质，并在三电极体系（3-el）中测试电化学性能。碳气凝胶（CA）由冻干海藻酸钠热解制得，用于构建混合超级电容器（HSC）。

研究结果

结构与形貌
XRD证实两种材料均为立方尖晶石结构（空间群Fd^ˉ3m），SG-800结晶度更高（晶粒尺寸53 nm vs ES-400的16 nm）。HRTEM显示SG-800为多孔纳米棉状，ES-400为连续纳米纤维。

磁学特性
XPS揭示Ni²⁺、Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺共存。室温下呈顺磁性，临界温度下转变为铁磁有序（SG-800: 104 K，ES-400: 95 K），低温区出现自旋玻璃态（65 K和80 K）。

电化学性能
在0.1 M Na₂SO₄电解液中，SG-800比电容（C_sp(CV)）达214 F/g，优于ES-400（187 F/g）。CA表现出典型的双电层电容（EDLC）行为。HSC测试中，SG-800//CA器件在1 A/g下能量密度为28.5 Wh/kg，循环5000次后容量保持率81%。

结论与意义

该研究通过调控合成路径获得不同形貌的NiMn₂O₄，阐明其结构-性能关系：高结晶度的SG-800因更多活性位点和稳定的尖晶石框架，在储能应用中更具优势。创新性地采用非镍基底测试，避免了传统方法的干扰，为过渡金属氧化物的电化学机制研究提供范式。混合超级电容器的设计策略为开发高能量密度器件开辟了新途径。论文发表于《Journal of Energy Storage》，为能源材料领域贡献了重要基础数据。