《Journal of Energy Storage》：Photoassisted supercapacitor using rGO@MnO2@ZnFe2O4 core-shell heterostructure: Way to enhanced charge storage capacity
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普里扬卡·萨伊尼（Priyanka Saini）|吉滕德拉·库马尔·亚达夫（Jitendra Kumar Yadav）|巴尔蒂·拉尼（Bharti Rani）|维杰·库马尔·辛格（Vijay Kumar Singh）|安贝什·迪克西特（Ambesh Dixit）印度理工学院（In
普里扬卡·萨伊尼（Priyanka Saini）|吉滕德拉·库马尔·亚达夫（Jitendra Kumar Yadav）|巴尔蒂·拉尼（Bharti Rani）|维杰·库马尔·辛格（Vijay Kumar Singh）|安贝什·迪克西特（Ambesh Dixit）
印度理工学院（Indian Institute of Technology）物理系先进材料与器件实验室（Advanced Materials and Device Laboratory，简称A-MAD），位于拉贾斯坦邦焦特布尔（Jodhpur），邮编342030，印度
摘要
当前物联网（IoT）设备和便携式电子产品的科技时代依赖于低功耗能源，因此需要自供电的储能装置。这些设备使用双功能材料来同时收集和储存能量。我们设计并开发了一种光辅助混合超级电容器（PASc），采用核壳异质结构材料rGO@MnO2(75%)@ZnFe2O4（rGO@MO75@ZFONS）作为正极，并结合多壁碳纳米管（MWCNTs）。MO75@ZFONS是一种双功能材料，其吸收光谱覆盖从紫外线到可见光区域，由于氧空位和孔隙率较高（通过XPS和TEM分析验证），具有较高的电荷储存能力。rGO涂层提供了导电网络，并抑制了在高浓度水溶液（4 M KOH）中Mn的溶解。该电极材料在光照条件下的电容比在黑暗条件下的电容（450 F g?1）提高了700 F g?1，电流速率为70 mA g?1?1的扫描速率下，由于非法拉第过程的作用，电容增强了约55%，这一现象在循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）测量中均有体现。在光照和黑暗模式下，该装置在90 mA g?1的电流速率下分别实现了0.317和0.166 Wh kg?1的能量密度。该装置在没有外部电源的情况下，100秒内光电流增加了0.8 μA，并且在250 mA g?1
引言
由于现代技术的快速发展，能源需求正在以创纪录的速度增长。物联网（IoT）、人工智能（AI）和机器学习（ML）等新兴领域正在多个行业创造新的机遇。同时，这些技术也消耗了大量电力[1]、[2]。智能系统现已融入我们的日常生活，而不仅仅局限于实验室和工业领域。例如，创新教育使用数字白板和先进教学平台，医疗保健则转向可穿戴设备和远程监控系统。基于物联网的作物监测和收获设备在农业中越来越普遍，交通领域也越来越依赖电动汽车和智能交通管理系统。工业界正在使用自主机器人和数字工厂，城市则安装智能电网和传感器以实现高效能源分配[3]。所有这些智能、自主、互联的设备都需要持续、可靠、可持续的能源供应。然而，目前大多数设备仍依赖传统的外部电力供应或不可充电电池，这限制了它们的广泛应用。为了真正实现可持续的物联网系统和自主设备，迫切需要独立、持久且环保的能源解决方案[4]、[5]。
超级电容器作为一种有前景的解决方案应运而生，因为它们相比传统电池和电容器具有独特优势[6]。与传统电容器不同，超级电容器可以储存大量能量；与电池相比，它们具有更高的功率密度、更快的充放电速率和优异的循环稳定性[7]、[8]、[9]、[10]。这些优势使它们成为下一代智能便携设备的理想选择。然而，商用超级电容器的能量密度相对较低。研究人员转向了不对称或混合超级电容器来克服这一限制，从而同时实现高功率和高能量密度[11]、[12]。最近，双功能光辅助混合超级电容器（PASc）的概念引起了广泛关注[13]。这类设备可以在同一系统中同时从光中收集能量并储存能量，无需单独的充电单元或外部电源。它们重量轻、体积小且自给自足，非常适合智能城市、便携式电子设备、物联网框架和偏远地区能源设备的大规模应用。PASc可能为满足技术驱动社会不断增长的需求提供高效、自主和可再生的能源储存途径[14]、[15]、[16]。
开发高效PASc的关键因素是选择合适的双功能电极材料，这些材料能够同时参与光能收集和电荷储存。在过渡金属氧化物中，尖晶石铁氧体材料因其可见光活性、窄带隙、化学稳定性和环境友好性而受到广泛关注[17]、[18]、[19]、[20]。ZnFe2O4（ZFO）尖晶石铁氧体具有强烈的可见光光催化活性，能够高效利用太阳能[21]、[22]、[23]、[24]。其半导体性质使得光生载流子可以直接参与超级电容器的充电过程。同时，ZFO具有良好的电化学活性和氧化还原性能，适合作为电荷储存材料。然而，单独使用ZFO由于其电子导电性较差，无法获得显著的光辅助电化学性能。因此，需要对其进行改进以增强电荷储存能力和光辅助储能性能。二氧化锰（MnO?）因其多氧化态而成为与ZFO结合的理想选择，它易于合成、成本低且环保。MnO?在充放电过程中会产生强烈的氧化还原反应，从而增强ZFO的电容[25]、[26]、[27]。当ZFO表面覆盖一层MnO形成核壳结构（MO@ZFO）时，两种材料协同作用，提高了电化学性能。MnO层提供了大量的电荷储存位点，而ZFO作为核心则有助于吸收光并产生额外的电子。由于能级对齐良好，光生载流子（电子和空穴）可以轻松分离并在结构中移动而不会重新结合，从而使光辅助充电和整体能量储存更加高效。
在本研究中，采用溶剂热法制备了核（ZFONS）-壳（MO）结构材料，其中ZnFe2O4纳米球（ZFONS）作为核心，MnO2（MO）以不同重量百分比作为壳层（如MO25@ZFONS、MO50@ZFONS和MO75@ZFONS），以研究其超级电容器特性。含有75% Mo的核壳结构在0.1 A g?1的电流密度下实现了363 F g?1?1?1?1?1，电容提高了约55%。该装置在光照条件下也表现出优异的循环稳定性，在50 mV s?1?1
章节摘录
结果与讨论
使用X射线衍射（XRD）光谱分析了ZFONS、MO及其异质结构的晶体结构和相纯度，XRD范围为5至80°的2θ角。ZFONS和MO的XRD图谱显示在图1(A)中。ZFONS的衍射峰对应于（111）、（220）、（311）、（222）、（400）、（422）、（511）和（440）衍射面，证实ZFONS具有立方尖晶石结构（ICDD编号081208）[31]。相比之下，MO的XRD图谱显示了...
材料与方法
醋酸锌（Alpha Aser）、氯化铁（Sigma-Aldrich）、醋酸钠（Thermo-scientific）、钾 paramagnet（VETEC, Sigma-Aldrich）、乙二醇（Qualigen）、盐酸（Qualigen）、粘合剂聚偏二氟乙烯（PVDF, Alpha Aser）、溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP, 99.5%, Sigma Aldrich）。
ZFONS的合成
ZFONS采用溶剂热法合成。首先，将ZFO的前体物质醋酸锌（0.06 M）和氯化铁（0.12 M）加入70毫升乙二醇中，反应时间为15–20分钟...
结论
通过溶剂热法合成了核壳异质结构材料MO@ZFONS，并研究了其电荷储存能力随Mo重量百分比增加的变化。含有75% Mo的材料的比电容在100 mA g?1?1
CRediT作者贡献声明
普里扬卡·萨伊尼（Priyanka Saini）：撰写原始草稿、数据可视化、方法论设计、数据分析、数据整理。吉滕德拉·库马尔·亚达夫（Jitendra Kumar Yadav）：撰写原始草稿、数据可视化、数据分析。巴尔蒂·拉尼（Bharti Rani）：数据可视化、数据分析。维杰·库马尔·辛格（Vijay Kumar Singh）：数据整理。安贝什·迪克西特（Ambesh Dixit）：撰写、审稿与编辑、验证、项目管理、资源协调、方法论制定、资金申请、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
安贝什·迪克西特感谢SERB（ANRF，印度政府）通过项目（具体项目编号SERB/F/10090/2021-2022）提供的财政支持。作者普里扬卡·萨伊尼还感谢UGC提供的初级研究奖学金。作者们感谢IIT焦特布尔的人工智能与物联网（AIOT）团队以及IIT焦特布尔的中央研究设施（CRF）在材料表征方面的帮助。同时，感谢所有实验室同事在技术讨论中的支持。
