通过协同结构整合增强 MnFeCN/rGO 混合电极的超级电容器性能

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》:Enhanced supercapacitor performance of MnFeCN/rGO hybrid electrodes via synergistic structural integration

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月02日 来源:Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers 6.9

编辑推荐:

   摘要背景结合氧化还原活性框架和导电网络的混合电极材料在高性能能源存储应用中日益受到关注。普鲁士蓝类似物 (PBAs) 具有丰富的氧化还原活性,而还原氧化石墨烯 (rGO) 提供了增强的电导率。方法在本研究中,通过共沉淀法合成了 MnFeCN 并将其与 rGO 集成以构建 Mn

  

摘要

背景

结合氧化还原活性框架和导电网络的混合电极材料在高性能能源存储应用中日益受到关注。普鲁士蓝类似物 (PBAs) 具有丰富的氧化还原活性,而还原氧化石墨烯 (rGO) 提供了增强的电导率。

方法

在本研究中,通过共沉淀法合成了 MnFeCN 并将其与 rGO 集成以构建 MnFeCN/rGO 混合电极。使用循环伏安法和恒流充放电测量在三电极体系中评估了电化学性能。

主要发现

MnFeCN/rGO-3/NF 电极在 1 A g–1 下表现出 1458.7 F g–1 的高比电容,并具有良好的倍率性能和循环稳定性。性能的增强归因于导电 rGO 网络与氧化还原活性 MnFeCN 框架之间的协同效应,这改善了电荷转移和离子扩散。这些结果展示了 MnFeCN/rGO 混合材料在实际超级电容器应用中的潜力。

引言

便携式电子设备、电动汽车和可再生能源系统的快速发展加剧了对先进能源存储设备的需求,这些设备需要同时提供高功率密度、合理的能量密度和长期循环稳定性 [1,2]。超级电容器因其快速的充放电能力、高功率输出和出色的耐用性而引起了广泛关注 [[3], [4], [5], [6]]。然而,主要依赖电极 - 电解质界面静电电荷积累的常规双电层电容器 (EDLCs),其固有能量密度较低 [[7], [8], [9]]。相比之下,赝电容材料通过快速且可逆的表面或近表面氧化还原反应存储电荷,提供了更高的能量密度,但在反复循环中往往面临动力学缓慢和结构降解的问题 [[10], [11], [12]]。因此,合理设计平衡氧化还原活性、电导率和结构稳定性的电极材料仍然是下一代超级电容器面临的关键挑战 [[13], [14], [15], [16]]。
普鲁士蓝类似物 (PBAs) 是一类具有开放框架结构的金属 - 氰化物配位化合物 [17],由于其可调节的成分、多种可及的氧化还原状态和结构多样性,已成为有前景的赝电容材料 [18,19]。特别是,双金属 PBAs 能够通过两种过渡金属共存衍生出协同氧化还原活性,从而通过多电子转移过程增强电荷存储 [20,21]。在这些材料中,Mn–Fe 基 PBAs 尤其具有吸引力,因为 Mn 和 Fe 在水基超级电容器相关的电化学窗口内都表现出丰富且可逆的氧化态 [22]。然而,PBAs 的实际应用受到其固有低电导率和有限倍率性能的显著阻碍,这限制了氧化还原活性位点的有效利用,并损害了在高电流密度下的循环稳定性 [[23], [24], [25], [26]]。
与导电碳材料的复合已被广泛采用作为解决这些限制的有效策略。还原氧化石墨烯 (rGO) [27,28] 具有高电导率、大比表面积和机械柔性,特别适合构建互连的导电网络并在反复氧化还原反应过程中缓冲结构应力。当与 PBA 纳米结构集成时,rGO 促进快速电子传输,抑制颗粒聚集,并改善电解质可及性 [29]。此外,将这种混合材料锚定在三维集流体(如镍泡沫)上,通过提供连续的电子路径、大的电极 - 电解质接触面积和高效的离子扩散通道,进一步增强了电化学性能 [[30], [31], [32], [33]]。尽管有这些优势,但对 rGO 含量如何影响 MnFe PBAs 的电荷存储行为和氧化还原利用率(特别是在器件水平上)的系统性理解仍然不足 [34,35]。
在本研究中,在三维镍泡沫上构建了具有可调节 rGO 含量的 MnFe 普鲁士蓝类似物/rGO 混合电极,以实现协同电荷存储行为。通过调整 rGO 负载量,优化了氧化还原活性 MnFe PBA 域与导电石墨烯网络之间的界面耦合,从而改善了电荷转移动力学和结构稳定性。使用循环伏安法、恒流充放电测量以及电容性和扩散控制贡献的定量分析,系统地评估了混合电极的电化学性能。此外,组装了不对称超级电容器器件,以展示优化电极配置的实用能源存储能力。通过 X 射线衍射和 X 射线光电子能谱研究了长期循环前后结构和化学状态的演变,提供了对优化电极稳定性和电荷存储行为的见解。这些结果突出了 MnFeCN/rGO 混合材料在实际能源存储应用中的潜力。

章节片段

电极材料的制备

试剂和化学品的详细信息见支持信息 (第 S1 节)。一种 Mn–Fe 普鲁士蓝类似物 (PBA),称为 MnFeCN,是通过室温共沉淀路线合成的,使用六水硝酸锰 (Mn(NO?)?·6H?O) 作为金属前驱体,六氰合铁 (III) 酸钾 (K?[Fe(CN)?]) 作为配位配体。具体而言,将 4 mmol 的 Mn(NO?)?·6H?O 溶解在 50 mL 去离子 (DI) 水中,而 2 mmol 的 K?[Fe(CN)?] 被

制备材料的表征

通过 SEM 和 TEM 系统地检查了原始材料、混合复合材料和电极架构的形貌和结构特征,如图 1、图 S3 和图 2 所示。如图 1a 所示,原始 MnFeCN 表现出定义明确的多面体形态,具有相对均匀的颗粒尺寸,这是通过配位驱动生长形成的普鲁士蓝类似物晶体的特征。颗粒显示出清晰的晶面和致密表面,

结论

成功开发了锚定在三维镍泡沫上的 MnFe 普鲁士蓝类似物/还原氧化石墨烯混合电极,用于高性能超级电容器应用。结构和电化学表征证实,掺入 rGO 有效增强了电导率和离子可及性,同时保持了 MnFeCN 框架的晶体完整性和氧化还原活性。在所研究的配置中,MnFeCN/rGO-3/NF 表现出优异

提交清单

请在批准您的手稿 PDF 文件之前检查以下几点。不符合要求的手稿可能会被退回修正并重新提交。您应该能够对以下所有问题回答“是”。
  • 1.
    手稿是否双倍行距且字体大小为 12 pt (首选 Times 或 Times New Roman)? 是
  • 2.
    您是否提供了所有共同作者的完整地址和所属机构? 是
  • 3.
    通讯作者是否通过 * 标识并提供了联系方式(电话号码和电子邮件

CRediT 作者贡献声明

林家银: 写作 - 初稿,可视化,资金获取,形式分析。 蔡宣贤: 可视化,形式分析。 赖冠春: 方法论,调查。 赖英华: 概念化。 王志英: 方法论。
林家银 | 蔡宣贤 | 赖冠春 | 赖英华 | 王志英
国立中兴大学循环经济学院半导体与绿色技术研究所,台湾南投 540
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号