尖晶石镍锌铁氧体纳米颗粒的简易合成及其在超级电容器和析氧反应中的双重功能

《Next Energy》：Facile synthesis of spinel nickel-zinc ferrite nanoparticles and their dual functionality for supercapacitor and oxygen evolution reaction applications

　　

研究人员通过简易共沉淀法成功合成了尖晶石镍锌铁氧体（ZNF）纳米颗粒，并评估了其作为超级电容器电极材料的性能。物理化学表征显示，ZNF纳米颗粒的晶粒尺寸为43.2?nm，呈球形形貌（平均粒径为?23 ± 0.5?nm）。氮气吸附-脱附等温线揭示了介孔结构，比表面积高达78.4?m² g^?1，为离子传输提供了丰富的电活性位点。电化学研究揭示了双电层电容和赝电容电荷存储机制的共存。ZNF电极在2?A?g^?1电流密度下实现了273?F?g^?1的比电容。ZNF电极在6000次循环后表现出优异的循环稳定性。另一方面，电催化析氧反应（OER）研究表明，ZNF电催化剂表现出可观的OER活性，达到10?mA?cm^?2电流密度所需的过电位为421?mV。此外，该电催化剂的Tafel斜率为?114?mV dec^?1，表明反应动力学由表面吸附中间体控制。ZNF纳米颗粒适中的电化学性能归因于高比表面积、介孔框架、阳离子再分布以及尖晶石铁氧体框架内修饰的电子相互作用。

**论文解读：尖晶石镍锌铁氧体纳米颗粒的合成及其在超级电容器和析氧反应中的双重功能**

**研究背景与问题**
超级电容器（一种高功率密度、长循环寿命的电化学储能器件）和电催化水分解（清洁制氢技术）是能源领域的关键方向。目前，碳基材料虽具优异功率密度，但能量密度受限；过渡金属氧化物如尖晶石铁氧体（通式MFe₂O₄，M为二价金属）因多价态和可调电子结构而受关注。然而，现有合成方法如水热法、溶胶-凝胶法或燃烧法常需高温煅烧或长时间反应，导致粒径大、纯度低，且多数研究仅单独聚焦于超级电容器或析氧反应（OER，水氧化反应），缺乏对双功能材料的系统探索。因此，开发一种简易、低温合成路线制备兼具储能和电催化活性的尖晶石镍锌铁氧体（ZNF）纳米颗粒具有重要科学意义。该研究发表在《Next Energy》上。

**主要技术方法**
研究人员采用简易共沉淀法合成ZNF纳米颗粒：以Zn(NO₃)₂·6H₂O、Ni(NO₃)₂·6H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O为前驱体，NaOH为沉淀剂，在80?℃下反应后于500?℃退火3?h。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）、透射电子显微镜（TEM）和氮气吸附-脱附（BET）表征结构、形貌和孔隙特性。电化学性能测试采用三电极体系：超级电容器测试在3?M?KOH电解液中进行，工作电极为涂覆ZNF的泡沫镍，参比电极为Ag/AgCl，对电极为Pt；OER测试在1?M?KOH中进行，工作电极为ZNF涂覆的玻碳电极，Nafion为粘结剂。

**研究结果**
**3.1 物理化学表征**
FTIR和Raman光谱确认了ZNF的尖晶石结构，特征峰对应金属-氧振动和四面体/八面体位点。XRD图谱显示立方尖晶石相（JCPDS?89-4927），晶粒尺寸为43.2?nm，并检测到微量α-Fe₂O₃杂质。氮气吸附-脱附等温线呈IV型（H3滞后环），表明介孔结构，比表面积达78.4?m²?g^?1，孔径为14.9?nm。TEM图像显示球形形貌，平均粒径为23?±?0.5?nm，但存在一定团聚。

**3.2 电化学表征**
循环伏安（CV）曲线显示非矩形形状和一对氧化还原峰，表明赝电容行为（Fe²⁺/Fe³⁺和Ni²⁺/Ni³⁺氧化还原对）。通过Dunn方法分析，电容贡献（表面控制）主导电荷存储，扩散贡献随扫描速率增加而降低。恒流充放电（GCD）测试得到在2?A?g^?1电流密度下比电容为273?F?g^?1，且随电流密度增大而下降。电化学阻抗谱（EIS）显示溶液电阻为0.43?Ω，电荷转移电阻为8.39?Ω，表明离子传输良好。循环稳定性测试表明，ZNF电极在6000次循环后仍保持94.96%初始比电容，库仑效率稳定在约99.70%，证实了尖晶石框架的结构稳定性。

**3.3 电催化研究**
线性扫描伏安（LSV）曲线显示OER起始电位为1.382?V（vs. RHE），达到10?mA?cm^?2电流密度的过电位为421?mV。Tafel斜率为约113?mV?dec^?1，表明反应动力学受表面吸附中间体（OH^*等）控制。EIS的Bode图显示低频下阻抗低，相位角峰值表明快速电荷转移。计时电流法测试表明，电流密度在持续电解中逐渐下降，可能与表面重构或团聚有关，提示需要进一步优化稳定性。

**总结与结论**
研究人员通过简易共沉淀法成功合成了ZNF纳米颗粒，并证实了其双功能电化学性能。结构分析确认了单相反尖晶石结构，平均粒径23?nm。电化学表征揭示赝电容电荷存储机制，比电容为273?F?g^?1（2?A?g^?1），6000次循环后保持率94.96%。OER电催化测试显示过电位421?mV（10?mA?cm^?2），Tafel斜率113?mV?dec^?1，阻抗较低。该性能归因于阳离子再分布（Zn²⁺占据四面体位点，Ni²⁺和Fe³⁺在八面体位点）、介孔结构（高比表面积78.4?m²?g^?1）和修饰的电子相互作用。ZNF纳米颗粒作为双功能材料，在超级电容器和电催化领域具有应用潜力，但需进一步优化导电性和长期稳定性。