Fe?O?/g-C?N?电极的简易合成用于增强超级电容器应用

《Journal of the Indian Chemical Society》：Facile Synthesis of Fe 2O 3/g-C 3N 4 Electrodes for Enhanced Supercapacitor Applications

　　

将赤铁矿纳米颗粒掺入石墨氮化碳中，展现出优异的赝电容特性。
g-C?N?/α-Fe?O?纳米复合材料电极表现出法拉第特性，比电容值为639.41 F g?1。
纳米复合材料电极在水性电解质介质中功率密度达916.66 W kg?1。
纳米复合材料电极的GCD曲线显示出1708.89秒的较长放电时间。
该纳米复合材料是一种高效的电极材料，表现出优异的电容行为。

**引言**

能源是现代文明的支柱，推动着人类发展的各个方面，无论是工业生产、交通系统、通信与信息技术，还是医疗领域。由于人口和工业的空前增长，全球能源需求呈指数级增长（Tong等人，2023）。化石燃料曾被认为是一种常规能源，但由于资源有限、价格上升以及对环境的不利影响（如全球变暖和温室气体排放），它已不再被视为可行的能源来源（Arumugam等人，2023；Mehdi等人，2023；?ahin等人，2022）。因此，向可再生能源及相关储能系统转型已成为当务之急。可持续能源技术为解决不可再生化石能源危机提供了机遇，并通过更清洁、更绿色的能源途径提供了环境缓解的潜力，而不消耗地球上有限的资源（Xu等人，2022；Oyedotun等人，2023；Ray等人，2023）。开发高效可靠的储能设备是关键关注领域之一。现有的储能技术包括铅酸电池、钠离子电池、燃料电池和超级电容器。通常，锂离子电池（如基于LiFePO?的系统）是当前的主流能源技术（M.Yewale等人，2024）。电池可以高能量密度存储能量；然而，它们无法同时充放电，尤其是在长时间循环情况下（Samantaray等人，2023）。相反，超级电容器具有超快充放电行为、更高的功率密度、优异的循环耐久性、耐高温能力以及长期运行稳定性，使超级电容器成为下一代混合储能系统的核心组成部分（Hussain等人，2024a；N. K.等人，2024；Lokhande等人，2025）。然而，在维持高功率密度和长循环稳定性的同时，其低能量密度仍然是一个令人担忧的问题。因此，为了克服这一局限性，需要开发新的电极材料和具有更高孔隙率、更大表面积及更强导电性的复合材料，以提升能量存储性能（Mirzazadeh等人，2022）。

过渡金属氧化物（TMOs）因其多价态氧化还原特性、大的理论电容和结构可调性，在众多候选材料中引起了极大关注。氧化铁（尤其是α-Fe?O?）展现出巨大潜力，因为它天然可得、环境友好且价格低廉。尽管具有上述优势，α-Fe?O?的导电率低、比表面积小、离子在材料中的扩散速度慢以及在循环过程中结构退化等问题阻碍了其性能发挥。为了克服这些缺点，科学家们考虑了纳米结构化、与碳材料耦合、杂原子掺杂以及聚合物杂化等方法，以期获得电化学性能的协同改善。例如，Patil, P.V.等人（2026）通过微波辅助合成了CeO?/Fe?O?纳米复合材料，随后进行退火处理。该电极材料在1 A g?1下显示出980 F g?1的高比电容，从而改善了其氧化还原活性和离子扩散性能。Mumtaz等人（2025）共沉淀制备了Fe?O?纳米颗粒，该电极材料在2500次循环中保持了约89%的初始响应，在2 M NaOH电解质溶液中表现出429 F g?1的电荷储存能力和24.6 Wh kg?1的能量密度，表明氧化铁具有稳定的潜力，尽管导电性仍然是一个限制因素。Wu等人（2021）在此基础上，通过水热法制备了具有腰鼓状结构的多孔α-Fe?O?纳米晶体。这些纳米晶体的直径为100-130 nm，长度为150-200 nm，孔径接近1.7 nm。这种独特的结构缩短了离子/电子的传输距离。在1 M KOH中，该电极保持234 F g?1的平均电荷储存值，在经历2,000次长循环后仍保持84.6%。本文强调了形态工程如何在电化学稳定性和传输动力学之间取得平衡。Singh等人（2025）报道了具有NiO的α-Fe?O?纳米立方体，展示了908 F g?1的卓越超级电容和高达759.3 W kg?1的极高功率密度，在1,000次循环后仍保留约70%的初始容量，证明了在面切形貌中高性能电容与循环稳定性之间的折中。（Abbas等人，2025）通过共沉淀法制备了α-Fe?O?/rGO纳米复合材料，结合了Fe?O?的赝电容性和rGO的导电性。其电极在1 M KOH中测量，显示出700 F g?1的电容，在8000次循环后仍保持94%；rGO结构抑制了结构破坏并增加了电荷转移阻力。同样，W. Zhang等人（2023）制备了α-Fe?O?/石墨烯水凝胶，证明具有788.6 F g?1的高电容，在5,000次循环中实现了82.3%的保持率，进一步证明了α-Fe?O?/石墨烯水凝胶复合材料在增强机械稳定性和离子扩散方面的作用。

与过渡金属氧化物一起，石墨氮化碳（g-C?N?）等多聚体半导体是具有层状二维架构的碳-氮材料，具有极高的化学稳定性，并且可以调节其电子性能。它无毒、廉价，与传统碳材料相比具有适度的导电性。尽管它已广泛应用于光催化领域，但其在电化学储能方面的潜力最近也引起了关注。其层状骨架提供了丰富的活性位点并促进了离子传输，使其成为超级电容器电极的有前景的支撑材料或共材料。然而，纯g-C?N?的导电性较差，限制了其作为单一电极材料的电化学性能。因此，Hussain等人（2024b）通过水热法合成了NiS@g-C?N?，获得了933.78 F g?1的电导率和92.8%的初始电容保持率，观察结果表明硫化物在改善界面导电性和电荷储存方面的重要性。此外，Ashan等人（2025）显示CuAl?S?/g-C?N?复合材料在3 M氢氧化钾电解质中表现出1467 F g?1的电导率和90%的保持率；Suganya等人（2025）报告了保持率高于前者的92.7%，并证明g-C?N?上MoS?纳米花具有更高的超级电容值905 F g?1，两者都表明过渡金属氧化物与石墨氮化碳的相互作用可以增强导电性和氧化还原反应。Shruti等人（2024）制备了N掺杂V?O?/g-C?N?电极，超级电容值为294 F g?1，在测试循环中电容仅下降了14%；而（Yewale等人，2024）制备的Co?O?/g-C?N?证明具有43 F g?1的较低电容值，但在6,000次循环中以97.7%的保持率展现了更好的循环寿命。综合而言，这些工作展示了组成设计在改变电容、稳定性和能量密度之间权衡关系方面的能力。Sonkawade等人（2024）也制备了g-C?N?/rGO复合材料，在2 M氢氧化钾电解质中，5000次循环后表现出407.7 F g?1的电容和83%的保持率。这是因为rGO与g-C?N?之间的协同作用改善了导电性、分级孔隙结构以及离子扩散。Umesh V. Shembade等人（2026）使用低成本化学方法制备了Fe?O?/g-C?N?。该电极材料在5 mA cm?2下表现出1143 F g?1的高比电容和254 mAh g?1的容量。在5000次循环后保持率为89%，证明了良好的循环稳定性；因此，它是超级电容器的潜在电极材料。Anwar等人（2025）将g-C?N?与SnS?结合，发现具有787 F g?1的电容，在1000次循环中保持89.36%；而Sekhar等人（2023）通过前驱体分解制备了g-C?N?/CeO?复合材料，达到了202.5 F g?1的比电容，在10,000次循环中保持了95.4%的初始电容，从而确立了耐久性标准。

这一广泛的文献支持了结构工程、导电性设计和杂化方法在使基于α-Fe?O?和g-C?N?的电极材料适用于超级电容器方面的重要性。尽管已取得进展，但在实现高电容的同时不损害长期稳定性和大规模可重复性方面，以及合成经济性方面，仍存在一些问题。在此基础上，本研究深入探讨了通过共沉淀法合成的g-C?N?/α-Fe?O?纳米复合材料电极，旨在最大化导电性、结构完整性和电化学性能。本研究结合了α-Fe?O?的氧化还原活性和g-C?N?的导电层状结构的优势，以实现更好的超级电容器性能，在能量密度与功率密度以及高循环寿命之间取得平衡。因此，我们报告了一种制备g-C?N?/α-Fe?O?纳米复合材料电极的简单方法，并对其结构、形貌和电化学性质进行了系统研究。α-Fe?O?的赝电容特性与g-C?N?富含氮的层状结构相结合，提供了改善的能量密度、长循环稳定性和比电容，为设计高性能超级电容器电极提供了宝贵的见解。

**各章节片段**

**化学品与材料**

研究全程使用分析级化学品，未经过额外处理。三聚氰胺（C?H?N?）、硝酸铁（Fe(NO?)?）、氢氧化钠（NaOH）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和镍泡沫均购自Sigma-Aldrich。N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）购自印度SDFCL公司。乙醇（C?H?OH）、去离子水（DI）、氢氧化钾（KOH）和丙酮购自印度SRL Chemicals公司。

**纯α-Fe?O?的合成**

纯α-Fe?O?纳米颗粒是……

**XRD**

使用X射线衍射（XRD）研究了样品的结晶性和结构完整性，结果如图2所示，并显示了其衍射峰。对于g-C?N?，在2θ值为27.7°处有一个衍射峰，根据JCPDS编号87-1526，对应于（002）晶面，源于g-C?N?片层的层状排列（Baranowska等人，2021；Sunasee等人，2019）。观察到的α-Fe?O?衍射峰与菱方赤铁矿相的特征峰高度吻合。

**结论**

通过将纯赤铁矿锚定在g-C?N?表面，并通过共沉淀法合成了各类单一材料。对所有样品进行了电化学性能检测，纳米复合材料表现出优于纯材料电极的性能，在5 mV/s下比电容值更高，电容值和能量密度分别达到639.41 F g?1和40.65 Wh kg?1，表明优异的电荷储存性能，保持率为84%。

**CRediT作者贡献声明**

Gayathri Rangasamy：验证、监督、方法论、调查研究、概念构思。Jenifer Janet：撰写初稿、验证、方法论、调查研究、概念构思。J. Ambigadevi：撰写初稿、验证、方法论、调查研究、概念构思。P. Senthil Kumar：可视化、形式分析、数据管理、概念构思。G. Murugadoss：验证、监督、方法论、调查研究、概念构思。

**利益冲突声明**

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告工作的呈现或解释。

J. Ambigadevi | P. Senthil Kumar | G. Murugadoss | Jenifer Janet | Gayathri Rangasamy