通过一种新型羟基磷灰石/钨镍纳米复合电极实现可持续能源存储的协同增强

《Solid State Communications》：Synergistic enhancement of sustainable energy storage through a novel hydroxyapatite/nickel tungstate nanocomposite electrode

羟基磷灰石/镍钨酸盐纳米复合材料用于高性能超级电容器，通过溶胶-凝胶法合成HAP，水热法制备NiWO4，复合后结构稳定，颗粒均匀。电化学测试显示其比电容324.62 F/g，能量密度28.85 Wh/kg，循环稳定性达93.51%，材料协同效应显著。

　　

卡马尔·阿布哈桑（Qamar Abuhassan）| 里玛·海德·阿尔·奥马里（Rima Heider Al Omari）| 马赫尔·阿里·鲁肖（Maher Ali Rusho）| G. 帕德玛普里亚（G. PadmaPriya）| S. 苏普里娅（S. Supriya）| 苏巴什里·雷（Subhashree Ray）| 雷努·夏尔马（Renu Sharma）| 萨奥达特贡·伊布拉吉莫娃（Saodatkhon Ibragimova）| 拉菲克琼·卡扎科夫（Rafiqjon Kazakov）| 苏克赫拉·阿塔穆拉托娃（Zukhra Atamuratova）| 莫尼尔·M·贝克希特（Mounir M. Bekhit）| 埃哈布·I·塔哈（Ehab I. Taha）

约旦大学药学院药学与制药技术系，安曼，11942，约旦

摘要

本研究报道了一种新型HAP/NiWO₄纳米复合材料的开发，该复合材料专为高性能超级电容器电极设计。HAP通过溶胶-凝胶法合成，而NiWO₄则采用水热法制备；随后制备了它们的复合材料，并通过结构分析（XRD、FTIR、FESEM、XPS）确认了复合材料的成功形成，同时观察到晶粒尺寸减小和纳米颗粒分布均匀。验证了Ca²⁺、P⁵⁺、Ni²⁺/Ni³⁺和W⁶⁺的存在。在对称双电极体系中的电化学测试中，HAP/NiWO₄电极的性能优于其单独成分，在1 A g-1的电流下实现了324.62 F g-1的比电容和28.85 Wh kg-1的能量密度。该复合材料还表现出良好的循环稳定性，在5000次循环后仍保留了93.51%的电容，并且EIS分析显示其电阻降低。这些协同的结构和氧化还原特性使得HAP/NiWO₄成为下一代储能设备的一种有前景且耐用的材料。

引言

能源对人类发展至关重要，但持续依赖化石燃料导致了严重的经济和环境挑战，从而引发了对可持续、高性能储能系统的兴趣[1]、[2]。在清洁能源技术中，电池、太阳能电池、超级电容器（SCs）和燃料电池等电化学装置展现了巨大的潜力[3]、[4]。特别是超级电容器具有高比电容、长循环寿命和高功率密度，弥补了传统电容器和电池/燃料电池之间的差距[5]。它们的多功能性使其能够应用于便携式电子设备和混合动力/电动汽车中，提供快速的功率输出和高效的能量回收，从而减少电池的应力[6]、[7]。因此，设计具有丰富电活性位点的多孔电极对于实现快速充放电和高效的能量存储性能至关重要[8]、[9]。

羟基磷灰石（HAP）是哺乳动物骨骼的主要无机成分，以其卓越的生物相容性、机械强度和热稳定性而闻名[10]，使其非常适合各种生物医学应用，包括骨移植、牙科植入物和骨科涂层[11]。除了生物医学领域外，由于HAP具有高表面活性和离子交换能力，它还在催化、能量存储和废水处理方面得到了广泛应用[12]、[13]、[14]。其多孔结构和离子交换特性促进了电解质的扩散和快速电荷传输，使其成为超级电容器的理想电极材料[15]。镍钨酸盐（NiWO₄）因其丰富的氧化还原活性和结构稳定性而受到广泛关注，尽管其低电导率限制了其速率性能[16]、[17]。为了克服这一缺点，人们开发了含有碳纳米管（CNTs）、MXenes和导电聚合物等导电成分的NiWO₄基复合材料。例如，NiWO₄/MXene/CNTs混合物通过提高导电性和表面积实现了高比电容，而NiWO₄/聚苯胺复合材料则增强了电荷传输和离子扩散[18]、[19]。

本研究报道了纯HAP的溶胶-凝胶合成方法、纯NiWO₄的水热制备过程以及作为超级电容器应用的多功能电极材料的HAP/NiWO₄纳米复合材料的制备。将NiWO₄掺入HAP基质中形成了一个多孔支架，改善了纳米颗粒的分散性、离子扩散和表面可及性。通过XRD、FTIR、FESEM和XPS对这些材料进行了全面表征，以阐明其结构、形态和组成特征。电化学测量（CV、GCD和EIS）表明，由于NiWO₄的氧化还原活性与HAP的结构稳定性的协同作用，HAP/NiWO₄纳米复合材料比纯HAP具有更高的比电容、能量密度和循环稳定性，显示出作为高性能超级电容器电极的巨大潜力。

章节摘录

HAP、NiWO₄和HAP/NiWO₄纳米复合材料的合成

首先分别合成HAP和NiWO₄纳米颗粒，以便在复合材料形成前精确控制它们的结构。HAP纳米颗粒是通过使用硝酸钙四水合物和磷酸氢铵溶解在乙醇中，然后通过滴加混合、搅拌形成透明溶胶，老化24小时并在100°C下干燥来制备的。NiWO₄纳米颗粒则是通过混合硝酸镍和钨酸钠溶液并调整pH值至8来制备的

XRD分析

通过X射线衍射（XRD）分析彻底研究了合成材料的相组成和晶体结构。如图1所示，衍射图谱证实了纯六方相HAP、单斜相NiWO₄及其相应的HAP/NiWO₄纳米复合材料的成功形成。具体来说，纯HAP的XRD图谱在2θ值22.48°（111）、25.80°（002）、29.05°（210）、31.89°（211）、33.11°（300）、39.76°（310）处显示出明显的反射峰

结论

总之，本研究成功设计、合成并评估了一种新型HAP/NiWO₄纳米复合材料作为高性能超级电容器电极材料。在此方法中，羟基磷灰石通过溶胶-凝胶法合成，镍钨酸盐通过水热法制备；这两种成分结合形成了一个结构稳定且氧化还原活性高的复合材料

CRediT作者贡献声明

苏克赫拉·阿塔穆拉托娃（Zukhra Atamuratova）：撰写——初稿、软件处理、数据分析。拉菲克琼·卡扎科夫（Rafiqjon Kazakov）：撰写——初稿、验证、实验研究、数据分析。苏巴什里·雷（Subhashree Ray）：软件处理、实验研究、数据分析。苏普里娅·S（Supriya S）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、实验研究。萨奥达特贡·伊布拉吉莫娃（Saodatkhon Ibragimova）：验证、软件处理、实验研究。雷努·夏尔马（Renu Sharma）：撰写——审稿与编辑、软件处理、实验研究、概念构思。里玛·海德·阿尔·奥马里（Rima Heider Al Omari）：撰写——初稿

数据可用性声明

数据可应相应作者的要求提供。

伦理合规性

本研究未涉及人类参与者、动物实验或需要机构审查委员会（IRB）或动物伦理委员会伦理批准的程序。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得沙特国王大学的Ongoing Research Funding Program（ORF-2025-986）的支持。