监测Mn/Ni共掺杂与形貌调控在α-Fe中的协同效应2作为SSB蓄电池型电极材料的储能容量研究

2026-07-01 20:54:19

描摹调控与元素掺杂被证实是提高电活性资料电容功用的有效途径。为探求本研讨中掺杂对描摹的调控效果，咱们经过[组成办法]制备了纯α-Fe2与Ni3Mn1-xFeOx(x = 0,0.3,0.5,0.7,1)系列样品3+δ水热法并研讨了镍（Ni）和锰（Mn）掺杂对α-Fe的结构、描摹及电化学功用的影响。经过2XRD3拉曼光谱证实该样品为单相结构。赤铁矿的纯α-Fe的菱面体晶体结构未呈现额外峰，证实镍锰掺杂无杂质。扫描电子显微镜剖析2显现描摹产生改变3纳米结构跟着锰掺杂浓度的添加，其结构从球形逐渐改变为纳米棒状。循环伏安法结果标明镍资料表现出电池型行为特征MnFeO纳米颗粒1-xGCD测试结果标明，跟着锰含量添加，比容量从380 Cgx（706 Fg3+δ ）提高至751 Cg（1251 Fg-1）。这一增长终究完成了751 Cg的最高比容量-1(1251 Fg-1) 关于α-MnFeO-1纳米颗粒-1在1 A g^-1的电流密度下-1其数值高于α-Fe3 +δ (380 Cg), NiFeO-1(425 Cg2), Ni3Mn-1FeO3+δ(470 Cg-1), Ni0.7Mn0.3FeO3+δ(530 Cg-1)和Ni0.5Mn0.5FeO3+δ（590 Cg-1）。此外，α-MnFeO0.3在10,000次接连GCD循环后展现出卓越的电荷容量坚持率（96%）和100%库伦效率。α-MnFeO0.7纳米棒明显的比容量和健旺的稳定性标明其适合作为电池型3+δ超级电容器的潜在候选资料-1). In addition, α-MnFeO3+δ exhibited a remarkable charge capacity retention (96%), and 100% coulomb efficiency after 10,000 consecutive GCD cycles. The noteworthy specific capacity and robust stability of the α-MnFeO3+δ nanorods suggest their suitability as potential candidates for battery type supercapacitors.

图文摘要

α-Ni的描摹改变MnFeO（x = 0、0.3、0.5、0.7、1）跟着Mn掺杂量添加对储能使用的影响。1-xx3+δ日益增长的动力需求与化石燃料的日益干涸，加之不行再生动力资源的有限性，正对地球气候产生重大影响[1,2]。这些应战凸显了对可再生、环境友好且可继续动力的火急需求。但是，这些间歇性动力资源高度依赖于气候和地理位置等天然因素，因此亟需开发先进的能量转化与存储技能。比如具有高功率密度与能量密度的电池、电容器及电化学电容器（超级电容器）等技能，正成为研讨的重点方向[3,4]。在此布景下，超级电容器因其共同的属性（与传统电池和电容器比较，具有高功率密度、成本效益、快速充放电才能以及更长的使用寿命）[2,5,6]，作为可行且可继续的电源受到了广泛重视。依据电荷存储机制，超级电容器可分为两类：双电层电容（EDLC，其存储源于外表电荷积累）和涉及法拉第氧化复原反响的赝电容/电池型[[7], [8], [9], [10]]。
在第一类电容器中，碳资料和石墨烯主要被用作电极资料[8,11,12]。虽然这些资料具有高功率密度，但其循环稳定性和能量密度表现较差。第二类电极资料为过渡金属氧化物，这类资料的优势在于可以完成活性物质与电解质在电极外表产生可逆的法拉第氧化复原反响[13,14]。与碳基资料[15]比较，赝电容/电池型资料（特别是钴3、铁4、氧化钌等过渡金属氧化物）3，以及NiO等资料因其明显提高的比容量、能量密度和电化学活性而取得广泛使用[[15], [16], [17], [18], [19], [20]] [8,21,22]。RuO₂因其高理论电容和快速的法拉第氧化复原过程成为抱负的电池型电极资料。但是，其高昂成本和环境毒性严重限制了其在超级电容器中的使用。其他过渡金属氧化物（如ZnO、NiO和MnO₂）凭借其资源易得性和特定电容特性，成为RuO₂具有吸引力的替代资料。但是，这些金属氧化物电极普遍存在导电率较低的问题。在很多过渡金属氧化物（TMO）资猜中，氧化铁（Fe4)作为一种极具潜力的超级电容器电极资料正受到广泛重视。这归因于其共同的优势特性，包括天然储量丰厚、无毒、成本效益高、稳定性强、明显的电化学活性、合适的电压窗口以及高达3625 Fg2) [23,24]。但是在具备这些明显特性的一起，(Fe2）在电化学反响过程中面临若干应战，例如体积膨胀导致电子转移电阻增大、资料粉化聚会以及循环功用受限[23]。此外，铁基资料3因为电子活性不足和比外表积有限，存在倍率功用受限、循环稳定性差以及外表负载量低一级问题[25]。−1) [23,24]. However, alongside these remarkable features, (Fe2O3) encounters certain challenges, such as volume expansion during electrochemical reactions, leading to increased electron transfer resistance, undesirable pulverization and aggregation, and restricted cyclic performance [23]. Furthermore, Fe2O3 has restricted rate capacity, poor cycle stability, and low surface loading, owing to its inadequate electronic activity and limited specific surface area [25].
为应对初始应战，一项中心战略是经过在资料结构中引进杂原子来调控所制备资料的描摹，该办法能在坚持物理完整性的一起最大化外表积[26,27]。所得掺杂纳米结构具有明显的外表体积比特性，该特性可促进电解液电荷与活性位点之间的相互效果增强。此外，该战略还能优化描摹结构，然后在氧化复原反响过程中完成高效的离子传输[28,29]。
研讨人员继续深耕这一研讨方向。J. Sahu等人经过共沉淀法制备了Zn1-xNdxO (x=0,0.01,0.03,0.05)资料，并发现跟着Nd掺杂浓度的提高，资料比电容相应添加[30]。类似地，Rizwan Ahmad团队成功组成了Cr掺杂NiO纳米棒，其间Cr-1NiO样品展现出1132 Fg0.06的最高比电容[31]。Tamboli研讨组则报导了Fe掺杂使比电容提高1.3倍2掺入0.5%锂元素后。研讨者将其归因于铁颗粒的粒径减小。3掺杂后形成的介孔纳米结构提供了更大的活性外表积[26]。类似地，Tahereh等人将Zn掺杂到Fe中2，然后取得了更高的比电容和优异的循环稳定性[3]。相同，M Aalim等人组成了Cr掺杂Fe3纳米资料，在5 mV/s扫描速率下展现出1243 F/g的明显比电容 %%2O3, resulting in higher specific capacitance and robust cyclic stability [3]. Likewise, M Aalim. et al. synthesized Cr-doped Fe2O3 nanomaterials, exhibiting a substantial specific capacitance of 1243 Fg−1 at a scan rate of 5 mVs−1 [32].
镍（Ni）因其极高的比电容、卓越的化学与热稳定性、低毒性、低成本及优良催化功用[33]，被视为过渡金属氧化物元素掺杂的首选资料。张晓丹（Xiaodam Zhang）团队组成的镍掺杂钼酸钴纳米棒表现出325.6 Cg的电容值-1一起兼具高能量密度与功率密度[34]。类似地，彭盛（Peng Sheng）研讨了镍掺杂对硒化钴（CoSe）描摹调控的影响2发现其比电容明显提高（1472 mFcm−2与镍比较，锰被认为是最具远景的掺杂剂之一，因其可下降去质子化能、提高电导率并改善倍率功用。Milan等人研讨了WS2的锰掺杂效应，发现其在20 Ag−1条件下具有107.79 mAhg-1的高比电容[36]。其他研讨也标明，锰掺杂能提高电子传输效率与OH−此外，该化合物改变为共价态并在更长充放电循环中坚持更高稳定性，且未呈现任何电容丢失。值得注意的是，锰掺杂（Mn doping）可明显影响资料的结构、光学及电化学特性[36]。
为应对Fe资料面临的导电性弱、体积扩展包、电子转移阻抗高及循环才能低一级应战，本研讨聚集于过渡金属掺杂Fe体系，经过调控所制备纳米结构资料的描摹以最大化其比外表积与活性位点密度。该战略有效增强了电解质电荷与活性位点间的触摸，并明显促进氧化复原反响过程中的离子快速传输[37,38]。本文提出了一种简易水热法组成α-Fe的方案。2经过所属组织拜访3请经过所属组织登录查阅全文。2，作为超级电容器电极资料的潜在使用。为提高活性，咱们将Ni作为掺杂剂引进α-Fe2O3 %% 结构中，取得了更小粒径的NiFe2O4 %% 。这种改性因其共同描摹而暴露出更多活性位点[35,39]。为进一步优化NiFe2O4 %% 功用，咱们逐渐引进Mn，使用Mn离子有利的原子半径和多价态特性[40,41]。鉴于Mn在元素周期表中与Fe相邻，其原子半径与Fe高度匹配，然后防止α-Fe2O3晶格的明显畸变3晶体结构。咱们进一步选用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、比外表积剖析（BET）、循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）等技能研讨了其结构、描摹及功用特性。据咱们所知，这是首篇研讨镍掺杂赤铁矿纳米结构作为超级电容器电极资料的论文，一起经过锰取代进一步调控描摹并提高α-NiFeO的储能功用。2O3, for potential application as an electrode material in supercapacitors. To enhance activity, we introduced Ni as a dopant into the α-Fe2O3 structure, yielding smaller particle size of NiFeO3. This adaptation exposes a greater number of active sites due to the distinctive morphology [35,39]. To further enhance NiFeO3 performance, we gradually incorporated Mn, capitalizing on the advantageous atomic radius and multivalent characteristics of Mn ions [40,41]. Given Mn's proximity to Fe in the periodic table, its atomic radius closely aligns with Fe, thereby preventing significant distortion of α-Fe2O3 crystal structure. We further investigated the structural, morphological, and functional aspects using techniques such as XRD, SEM, EDX, BET, CV, GCD, and EIS analysis. To the best of our knowledge, this is the inaugural article to investigate the Ni-doped hematite nanostructures as electrode materials in supercapacitors, coupled with Mn substitution to further tune the morphology and enhance the storage capacity of α-NiFeO3.