新型α-Fe2O3/ZIF-8/PANI复合电极的可持续合成及其在高能量混合超级电容器中的应用

本文推荐一种通过湿法浸渍和超声辅助制备的α-Fe2O3/ZIF-8/PANI（聚苯胺）三元复合电极，其结合了赤铁矿（α-Fe2O3）的氧化还原活性、ZIF-8（沸石咪唑酯骨架材料）的微孔结构和PANI的导电网络，在三电极体系中展现出1049 F g-1的高比电容，并在混合超级电容器中实现51.3 Wh kg-1的能量密度和20000次循环后80%的容量保持率，为高性能储能器件提供了可规模化生产的解决方案。

　　

亮点

这项研究通过简易的湿法浸渍与超声辅助策略，成功构建了具有三维交织结构的α-Fe₂O₃/ZIF-8/PANI复合电极。该设计巧妙融合了赤铁矿（α-Fe₂O₃）的快速法拉第反应、ZIF-8金属有机框架（MOF）的超高比表面积（>1000 m² g^-1）以及聚苯胺（PANI）的导电“高速公路”，实现了表面控制与扩散控制储能机制的协同增效。

材料表征

X射线衍射（XRD）分析显示（图2a），复合材料中α-Fe₂O₃的晶面衍射峰（如24.1°的(012)晶面）与ZIF-8的特征峰（7.3°的(011)晶面）完美共存，证实各组分的晶体结构在复合后得以保留。透射电镜（TEM）更直观展示了α-Fe₂O₃纳米颗粒像“石榴籽”般嵌入ZIF-8多孔骨架，而PANI则像“导电胶水”包裹整个体系，形成分级孔隙结构。

电化学性能

在三电极测试中，该复合材料在1 A g^-1电流密度下爆发出1049 F g^-1的超高比电容，相当于单一组分的3-5倍！当与活性炭组装成混合超级电容器时，器件在1.6 V电压窗口下仍能稳定工作，能量密度达到51.3 Wh kg^-1（相当于普通锂电池的1/3），甚至在8 kW kg^-1超高功率下仍保有15.8 Wh kg^-1的能量输出。更令人振奋的是，经过20000次充放电循环后，它依然保持着80%以上的容量和92.5%的库伦效率，这得益于PANI对体积膨胀的缓冲作用和ZIF-8框架的结构稳定性。

结论

这项研究为破解“超级电容器能量密度低”的行业难题提供了新思路：通过精准设计金属氧化物（α-Fe₂O₃）、MOF（ZIF-8）和导电聚合物（PANI）的三元协同体系，无需复杂工艺即可获得兼具高能量（>50 Wh kg^-1）、高功率（8 kW kg^-1）和长寿命（20000次循环）的电极材料，为可再生能源存储和电动汽车领域带来新的技术突破。