为高效超级电容器设计了一种具有优化形态的微波辅助WO?–NiO–Ru三元纳米结构的合理方法

《Materials Science and Engineering: B》：Rational design of microwave-assisted WO?–NiO–Ru ternary nanostructures with optimized morphology for high-efficiency supercapacitors

　　

S. Thirunavukkarasu|T. Arun|T. Prakash|K. Aravinth

电气与电子工程，Paavai工程学院（自治），印度泰米尔纳德邦Namakkal 637018

摘要

高性能电极材料的开发对于下一代储能系统至关重要。在本研究中，通过一种简单且成本效益高的微波辅助方法合成了WO₃–NiO–Ru三元纳米复合材料，并系统研究了辐照时间对其结构、形貌和电化学性质的影响。结构分析证实形成了结晶态的WO₃、NiO和RuO₂相，且稳定性得到了提升；形貌研究显示从团聚颗粒演变为了结构明确的纳米结构。电化学测试表现出明显的赝电容行为，这种行为受到形貌和组成的显著影响。在制备的样品中，S2表现出最佳性能，具有约2300 Fg^?1的比电容，良好的循环性能以及在10,000次循环后仍保持约73–75%的电容保持率。这种性能的提升归因于其优化的纳米结构、均匀的Ru分布以及 improved的离子/电子传输能力。总体而言，本研究突显了WO₃–NiO–Ru体系的协同效应以及微波辅助合成技术在制备先进超级电容器电极方面的有效性。

引言

全球能源消耗的快速增长以及对可再生能源系统需求的增加推动了高效储能技术的大量研究[1]。传统的储能设备（如电池）通常存在功率密度低、充放电速率慢以及循环寿命有限等局限性，这些限制了它们的实际应用。因此，开发具有高功率密度、快速充放电能力和长期稳定性的先进储能设备具有重要意义。在各种储能系统中，超级电容器因其独特的优势（如高功率密度、快速充放电性能和出色的循环稳定性）而受到广泛关注[2]。根据其储电机制，超级电容器通常分为电双层电容器（EDLCs）和赝电容器。特别是基于过渡金属氧化物的赝电容器，由于具有快速且可逆的法拉第氧化还原反应，因此具有更高的能量密度[3]。

基于最新文献的当前储能技术比较评估表明，尽管电池在能量密度方面仍占据主导地位，但超级电容器在功率密度、快速充放电能力和长期循环稳定性方面具有明显优势。针对先进材料的研究，特别是通过可扩展的微波辅助技术制备的Ti₃C₂T? MXene，由于电导率的提高、有效的离子传输路径和坚固的结构完整性，显示出电化学性能的显著提升[4]。此外，来自多孔和高活性材料（如基于MOF的系统）的相关研究的见解强调了表面积和活性位点在增强储电行为中的重要性[5]。综上所述，这些发现强调了超级电容器作为高效可靠储能设备的相关性，无论是在独立系统中还是在其他混合配置中，都适用于包括电动汽车、便携式电子设备和智能电网技术在内的新兴应用。

微波辅助合成已成为制造用于储能应用的先进纳米复合材料的一种高效快速技术。与传统方法相比，它能实现超快的反应动力学，显著缩短合成时间，同时生产出具有可控形貌和增强表面积的高质量材料。微波辐射与前驱体的直接相互作用确保了均匀的体积加热，从而提高了结晶度，减少了团聚现象，并改善了活性组分的分散。该方法还有助于形成层状和多孔的纳米结构，从而增强了电解质的扩散和电荷传输，进而提高了电化学性能。此外，与传统的水热或炉法技术相比，微波辅助工艺在能源效率高、可扩展性和环境友好性方面具有优势。这些优势已在近期关于MXene基和金属氧化物纳米复合材料的研究中得到了广泛验证，证实了微波合成是开发高性能超级电容器电极的有前途的方法[6]、[7]、[8]、[9]。

过渡金属氧化物因其多种氧化态、高理论电容和良好的电化学稳定性而被广泛研究作为超级电容器的电极材料[10]。高性能超级电容器电极的开发依赖于结合具有互补电化学性质的材料。在本研究中，NiO–WO?–Ru三元体系被战略性设计，以利用各组分的协同优势。NiO具有高理论电容，但电导率较低且循环性能有限；而WO?则提供了优异的结构稳定性和多种氧化态，有利于高效的离子嵌层，同时也具有一定的导电性。为了解决这些问题，加入了钌（Ru），因为它具有出色的电导率和快速可逆的氧化还原行为。Ru的加入增强了电荷传输，提高了电活性位点的利用率，并改善了整体电化学性能。因此，与之前报道的材料相比，NiO–WO?–Ru体系有望表现出更优越的电容性能，这一点通过表1中的比较得到了支持。[11]。 （见图1-。）

多项研究报道了基于WO?和NiO的超级电容器复合材料的应用。例如，WO?–NiO复合材料与单一组分相比表现出改进的电容性能；然而，它们的性能仍受到导电性差和结构不稳定的限制[12]。类似地，基于RuO?的材料具有优异的电化学性能，但通常价格昂贵且难以进行可控合成[13]。尽管已经探索了结合WO?、NiO和Ru的三元体系，但大多数报道的方法涉及复杂的合成路线，缺乏形貌控制，并且结构性质的优化有限[14]。

最近的研究表明，先进的金属氧化物复合材料显著提升了超级电容器的性能。例如，一项研究中报道的过渡金属氧化物/rGO纳米复合材料在1 A g^?1的电流下实现了高达约1829.3 F g^?1的比电容，能量密度为53.1 Wh kg^?1 [15]。同样，基于WO₃的混合电极也表现出优异的性能，例如约1897.8 F g^?1的比电容以及96.6%的电容保持率[16]，而使用N-rGO/CoCr₂O₄制造的电极在1 A g^?1下的比电容为1062.25 F g^?1，这表明在导电性和活性位点利用方面存在局限性[17]。这些结果表明，尽管已经取得了显著进展，但在电荷传输和氧化还原活性方面仍需进一步改进。因此，由于导电性的提高和协同效应，NiO–WO₃–Ru三元体系有望提供更好的电化学性能。

表1提供了先前报道的基于金属氧化物的电极材料的比较总结，包括比电容、电流密度、循环稳定性和关键局限性[12]、[18]、[19]、[20]。与最近报道的三元金属氧化物体系的比较进一步突出了本研究的新颖性和重要性。例如，通过水热方法合成的MnO₂/CuO/ZrO₂三元纳米复合材料在5000次循环后表现出约869.76 F g^?1的比电容和约92.1%的电容保持率[21]，而基于WO₃的混合系统通常表现出约586–689 F g^?1的电容值[22]，反映了许多现有二元和三元配置的性能局限。尽管像NiO和RuO₂这样的过渡金属氧化物具有高理论电容，但它们的实际应用常常受到导电性差和循环耐久性有限的阻碍，因此需要先进的复合工程[23]。相比之下，本研究中开发的WO₃–NiO–Ru三元纳米复合材料实现了约2300 F g^{?1的显著更高比电容，比许多报道的三元体系提高了约2-3倍，同时在10,000次循环后仍保持约73–75%的合理循环稳定性。重要的是，与依赖于复杂或耗时合成路线的多项先前研究不同，本研究采用了快速且可扩展的微波辅助方法，实现了对形貌和组成的精确控制。因此，结合了优异的电化学性能、简单的合成过程以及展现的结构-性质相关性，清楚地确立了这项工作在下一代超级电容器应用中的新颖性和实际意义。}

节选内容

材料与方法

本研究中使用的所有化学品均从Nice购买，无需进一步纯化即可使用。首先，在烧杯中加入150毫升蒸馏水，然后在持续磁力搅拌下溶解2克钨酸钠。最初溶液呈白色。搅拌10分钟后，将1克氯化镍分别溶解在20毫升蒸馏水中，并在持续搅拌下逐滴加入到钨酸钠溶液中。加入后，溶液的颜色

结果与讨论

合成的WO?–NiO–Ru纳米复合材料（S1–S4）的X射线衍射（XRD）图谱证实，在微波辐照下形成了结晶度提高的明确三元氧化物体系（图2）。在2θ约为23.1°、23.6°和24.4°处观察到的衍射峰对应于单斜晶系WO?的（002）、（020）和（200）平面（JCPDS卡片编号43–1035），证实了钨氧化物的主导晶相[24]。另外在37.2°、43.3°和62.9°处观察到的峰值归属于

结论

在本研究中，使用一种简单快速的微波辅助方法成功合成了WO₃–NiO–Ru三元纳米复合材料，并研究了辐照时间对其性质的影响。XRD和FTIR结果证实形成了结晶度提高且金属-氧键合强度强的明确相。FESEM分析显示了形貌的明显变化，其中优化后的样品（S2）展现了具有中等孔隙率的均匀纳米结构，提供了良好的平衡

CRediT作者贡献声明

S. Thirunavukkarasu：撰写 – 审稿与编辑，监督，数据管理，概念构思。T. Arun：撰写 – 审稿与编辑，调查，数据管理，概念构思。T. Prakash：撰写 – 初稿撰写，监督，方法学，数据管理，概念构思。K. Aravinth：撰写 – 审稿与编辑，调查，数据管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。