《Journal of Alloys and Compounds》：Exploring the Multifunctional Properties of CrMo
2O
4@SnO
2 Nanocomposites on Carbon Paper for Advanced Sensing and Energy Storage Flexible Devices
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本研究通过水热法合成铬钼氧化物（CrMo?O?）并与锡氧化物（SnO?）复合，制备出新型超级电容器电极材料CrMo?O?@SnO?。测试表明其比电容达306 C/g，功率密度1491.9 W/kg，能量密度36 Wh/kg，循环稳定性达85.8%，同时展现出0.03-0.5 μM的优异电化学传感性能。
Zaina Algarni|Muhammad Azhar Mumtaz|Y.M. Fahmy|Hamid Imran|Norah Salem Alsaiari|Amir Muhammad Afzal|Sohail Mumtaz
比沙大学理学院物理系，邮政信箱199，比沙61922，沙特阿拉伯
摘要
与传统储能材料相比，混合超级电容器（HSC）因其高循环稳定性和较高的功率及能量密度而受到了相当多的学术关注。本研究采用水热合成法制备了铬钼氧化物（CrMo?O?），并与其与二氧化锡（SnO?）的复合材料进行了结合。在三电极系统中对CrMo?O?@SnO?复合材料进行了初步的电化学研究，得到了306 C/g的比容量（Cs）。在混合配置下，该装置的功率密度为1491.9 W/kg，能量密度为36 Wh/kg，比容量为306 C/g，并且保持了85.80%的显著容量保持率。此外，CrMo?O?@SnO?传感器在食品和缓冲样品中对谷氨酸钠（MSG）的检测限（LOD）为0.03-0.5 μM，优于其他研究的复合材料。这些结果表明，CrMo?O?@SnO?具有作为储能和其他应用的理想电极材料的潜力，证实了其作为最合适的超级电容器电极材料之一的地位。
引言
能源使用的增加和技术的快速发展导致了对传统化石燃料的持续依赖。这种消耗引发了人们对人类生存和自然资源长期保护的担忧[1]。电化学储能系统（EES）是利用可逆电化学反应进行能量存储和释放的现有系统，适用于便携设备、电动汽车（EV）和其他先进技术[2]。纳米结构材料最近成为流行的EES材料。许多储能项目使用金属、陶瓷、金属氧化物或复合材料的纳米纤维。这些纳米纤维材料的优点包括对纤维厚度的精细控制、高表面积与体积比、高孔隙率和低密度[3][4]。与其他形式（如粉末、纳米线、晶体和薄膜）相比，纳米纤维结构具有独特的优势[5]。在循环稳定性方面，超级电容器也比电池具有明显优势。作为有效的能量收集器和电压稳定器，它们可以提高电网稳定性[7][8]。Pd、Ed和法拉第响应是评估可充电电池等储能系统效能的重要指标。近年来，由可再生能源驱动的储能系统引起了广泛关注[9]。一种称为超级电容器的新设备被发现，它结合了超级电容器和高容量储能电池的特性。目前，研究人员正在努力提高电极材料的准确性和完美度[10]。已经开展了许多研究，包括创建混合纳米结构和探索新的电极材料[11]。研究人员正在研究如何使用二维（2D）材料及其衍生物来改进储能设备。MXenes、MoS?、石墨烯等2D材料具有潜力，通过与各种金属化合物结合可以增强其在储能系统中的性能[12]。Shafi等人对Cr?O?超细颗粒进行了深入研究，在0.5 A/g的电流密度下，经过3000次循环后，其比容量达到了340 F/g，并保持了85%的循环保持率。通过将ASC与AC电极结合，产生了12.5 Wh/kg的显著Ed和312.5 W/kg的Pd[13]。Zeng等人使用水热法成功合成了掺杂SnO?的NiMoO?，在50 mA/cm2的电流密度下，电池容量保留了92.2%。此外，其78.4 Wh/kg的高Ed和895 W/kg的Pd使其优于之前的混合超级电容器[14]。
Fei等人通过将掺锌的Cr?O?沉积在碳织物上，开发出了一种无粘合剂的电极，制备了不对称混合超级电容器（AHSC）。ZnCr?O?@CC电极的比容量（Cs）最高达到374 F/g，并且保持了96.43%的容量。该AHSC在800.6 W/kg的电压下具有26.2 Wh/kg的出色能量密度[15]。Ma等人使用水热法制备了二氧化钼（MoO?），但令人惊讶的是，即使经过2500次循环，电容仍保持在64.5%。具有550.5 W/kg Pd和22.90 Wh/kg Ed的不对称超级电容器（ASC）表现优异[16]。
材料的多功能应用，包括能量存储和电化学传感，提高了设备的性能[17][18][19]。基于纳米复合材料的化学传感器因其高灵敏度和大表面积而被广泛使用[20][21][22]。有许多电化学传感器被用于检测诺氟沙星、H?O?在癌变组织中的存在以及气体传感器[23][24][25]。水分解是一种环保技术，可用于生产氢气[26][27]。像Pt/C和RuO?这样的贵金属催化剂在氢析出（HER）中表现出色，但它们成本高昂且难以大量获取；因此，需要稳定、低成本且丰富的纳米材料[28][29]。具有尖晶石结构的氧化物，如FeCr?O?和MgCr?O?，天然存在，并因其结构稳定性和在高温下的性能而被广泛研究，无论是在陶瓷还是冶金应用中[30][31][32]。然而，天然存在的铬铁矿尖晶石通常具有较低的成分灵活性、较低的导电性和较少的电化学活性位点，这直接影响了它们在现代电化学储能中的使用。相比之下，化学制备的CrMo?O?具有多个优点：相的纯度、化学计量比和微观结构可以通过化学合成精确控制，并且可以制备出具有较大表面积的纳米级颗粒。
更重要的是，将钼离子整合到铬氧化物结构中会产生多个氧化还原活性中心，从而增强电荷转移的动力学并促进更高阶的法拉第反应。Cr和Mo阳离子之间的这种协同效应促进了电子导电性和离子扩散速度，这对高性能电极材料非常重要。因此，化学合成的CrMo?O?比天然存在的尖晶石氧化物（如FeCr?O?和MgCr?O?）具有更好的电化学可调性、更高的活性位点密度和更好的氧化还原性能，因此是开发混合超级电容器的更好候选材料。
已经确定并测试了这些渗透性形式及其可能的配置，以识别最适合超级电容器的金属氧化物电极，其中研究了RuO?、NiO、SnO?和MnO?[33]。SnO?是最有前途的候选材料，因为它表现出出色的比容量和循环稳定性。其主要优点包括惊人的理论比容量217.2 C/g、丰富的资源和低成本，使其适用于多种应用[34]。此外，金属氧化物（如Co、Sn、Mn和Ni）在超级电容器方面具有巨大潜力。遗憾的是，它们的半导体特性会通过减缓高电流密度下的快速电荷转移而降低其性能[35]。Gao等人探索了SO?/SnO?组合作为超级电容器电极材料的前景。该过程使用SnCl?，在碱性溶液中水解形成二氧化锡凝胶，然后与硫酸混合并煅烧。SO?/SnO?的比容量为51.95 F/g，而相同温度和0.5 mV/s下的报道值为15.61 F/g。值得注意的是，SO?/SnO?在2000次循环后仍未失去全部最大容量[36]。水热法被用于简单地将SnO?引入CrMo?O?的合成中。CrMo?O?是一种在电化学储能应用中具有巨大潜力的过渡金属氧化物，这是基于先前研究中的成功结果选择的。这是一种简单的水热技术，可以快速制备所需产品。
虽然最终产品没有表现出显著的比容量，但通过添加功能性的SnO?掺杂CrMo?O?（组成比为90:10，即CrMo?O?@SnO?，10%），在纯CrMo?O?、CrMo?O?@SnO?和CrMo?O?@SnO? 10%样品上进行了循环伏安（CV）和恒电流放电（GCD）测试。正如引用的研究中所指出的，添加10%的SnO?显著提高了铬钼氧化物的电化学性能。此外，为了测试合成的CrMo?O?/SnO?的功能性能，使用它制造了一个超级电容器装置。阳极是CrMo?O?@SnO?，阴极是活性炭。这导致了优异的超级电容器性能，即放电功率（Pn）、能量密度（En）和高容量保持率。CrMo?O?与SnO?的结合被认为是最理想的材料，因为它具有出色的电化学稳定性、易于制造、环保性和优越的质量。
材料
使用了高纯度（≥99-99.5%）的化学品，无需额外纯化。硝酸钼、硝酸铬和二氧化锡购自Sigma-Aldrich。炭黑、碳纸电极、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和盐酸（HCl）购自Duksan Pure Chemicals（韩国）。为了减少合成和加工过程中外来离子污染物的形成，所有实验过程中都使用了去离子水。
结果与讨论
采用水热法制备了含有SnO?的CrMo?O?复合材料，然后如图1所示进行了物理组合。水热法能够在不需要复杂步骤且相对较低能耗的情况下大量生产CrMo?O?。这种方法因其简单性、成本效益和可扩展性而受到青睐[44]。CrMo?O?复合材料的结构、组成和结晶度已经得到了优化
结论
本研究提出了专为先进混合储能系统设计的新型复合材料。使用水热法制备了CrMo?O?。通过SEM和XRD分析了样品的形态和组成。为了验证活性材料的电池特性，采用了三电极装置来评估合成复合材料的电化学性能。CrMoO?@SnO?复合材料表现出高效率
资助
本研究由King Khalid大学研究与发展研究生院资助，授予编号为的资助。
CRediT作者贡献声明
Amir Muhammad Afzal：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，正式分析，概念化。Sohail Mumtaz：可视化，软件，方法学，正式分析。Zaina Algarni：撰写 – 原稿，方法学，正式分析。Norah Salem Alsaiari：项目管理，资金获取，正式分析。Hamid Imran：撰写 – 审稿与编辑，软件，资源，正式分析。Y.M. Fahmy：方法学，研究，概念化。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报告的工作。
致谢
作者感谢King Khalid大学研究与发展研究生院通过编号为的大型项目资助了这项工作。
