通过协同氧化还原效应制备用于高性能超级电容器的双相氧化锰/氧化锌纳米复合材料

《ChemistrySelect》：Dual-Phase Manganese Oxide/ZnO Nanocomposites for High-Performance Supercapacitor via Synergistic Redox Enhancement

双相锰氧化物-MnO2-Mn3O4/ZnO纳米复合材料通过协同Mn3+/Mn4+红ox活性和ZnO导电性，实现高能量存储密度（108.8 Wh/kg）和优异循环稳定性（99.7%容量保留50次循环），有效抑制电荷复合并提升器件能量密度至39 Wh/kg。

　　

图形摘要

通过溶剂热法合成的双相Mn3O4-MnO2/ZnO纳米复合材料利用Mn3+/Mn4+的协同氧化还原活性和ZnO的导电性，用于高能量超级电容器。这种异质结构在1 A/g电流密度下实现了967 F/g的电极比电容和346.68 F/g的器件电容，能量密度分别为108.8 Wh/kg（电极）和39.01 Wh/kg（器件）。该对称电容器在50次循环后仍保持99.7%的电容，实现了无碳能源存储。

摘要

将双相锰氧化物（MnO2-Mn3O4）与氧化锌（ZnO）纳米复合材料结合，通过协同氧化还原活性和结构稳定性来提升超级电容器电极的性能。本文系统研究了通过溶剂热法合成的MnO2-Mn3O4/ZnO纳米复合材料（重量比为1:1、1:2、2:1）的结构、光学和电化学性质。X射线衍射（XRD）证实了四方相Mn3O4和MnO2与六方相ZnO的共存，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和能量色散X射线光谱（EDX）验证了界面结合和化学计量纯度。扫描电子显微镜（SEM）观察到了球形和团聚的形态，XRD计算出较低的晶粒尺寸（2:1复合材料为14.3 nm），从而增加了电荷存储的表面积。光学分析显示由于II型异质结的形成而产生了带隙调制（2.16–3.95 eV），抑制了电荷重组；光致发光（PL）光谱揭示了对于电荷载流子动力学至关重要的缺陷介导的跃迁。电化学测试表明，MnO2-Mn3O4/ZnO（2:1）纳米复合材料在1.5 A/g电流密度下实现了967 F/g的比电容、108.8 Wh/kg的能量密度以及377.4 Ω的低电荷转移电阻，性能优于单独的MnO2-Mn3O4和ZnO组分。对称超级电容器在50次循环后仍保持99.7%的电容，这归因于Mn3+/Mn4+的氧化还原协同作用以及ZnO的导电框架。本研究确立了双相MnO2-Mn3O4/ZnO作为可扩展且高性能的电极材料，为下一代超级电容器提供了基于氧化还原驱动的能源存储与结构稳定性的结合。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。