采用氧化铈修饰的氧化锰纳米线以及腰果壳衍生的活性炭制成的高性能非对称超级电容器

《Inorganic Chemistry Communications》：High-performance asymmetric supercapacitor using cerium oxide-decorated manganese oxide nanowires and cashew leaves-derived activated carbon

本研究采用CeO?/MnO?异质结构作为阴极，以cashew leaves来源的活性炭（CLsAC）为阳极，制备了对称/非对称超级电容器。实验表明，异质结构电极在1 A g?1下比电容达212 F g?1，器件在2 V窗口下展现196.8 F g?1比电容，70 Wh kg?1能量密度和4032 W kg?1功率密度，经10000次循环后保持90.4%容量，证实其协同效应和优异稳定性。

　　

Swapnil Bhosale|Lina N. Khandare|Swapnaja Gajbhiye|Amol S. Vedpathak|Vijay H. Ghadage|Nandu B. Chaure

物理系，Savitribai Phule浦那大学，浦那411 007，印度

摘要

在本研究中，我们开发了一种高性能超级电容器器件，该器件以MnO₂纳米线上的CeO₂作为正极，以腰果壳衍生活性炭（CLsAC）作为负极。通过结构、形态和化学表征技术研究了制备的CeO₂、MnO₂以及CeO₂/MnO₂异质结构的特性。电化学测量表明，CeO₂/MnO₂异质结构表现出协同效应，提高了单个CeO₂纳米粒子和MnO₂纳米线的电化学性能，包括电导率、循环稳定性和离子相互作用。值得注意的是，CeO₂/MnO₂异质结构电极样品在1 Ag^?1电流下的比电容高达212 Fg^?1，这归因于其增强的电化学活性和稳定性。为了制备不对称超级电容器，使用了CLsAC作为负极材料。所制备的CLsAC//CeO₂/MnO₂超级电容器器件在2 A g^{?1?1，能量密度为70 Wh kg?1，功率密度为4032 W kg?1，并且在10,000次循环后仍保持90.4%的优异循环稳定性。}

引言

在可再生能源领域，持续的创新促使科学家和工程师探索改进传统储能设备的方法[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。全球对高效储能解决方案的需求增加，推动了高性能和可持续超级电容器的开发。由于超级电容器具有高功率密度、快速充放电功能以及延长的使用寿命[6]，因此受到了广泛关注。它既能作为传统电容器使用，也能作为电池使用，因此在包括电子、国防、汽车等多个行业中引起了广泛兴趣[7]。与传统依赖电化学反应的电池不同，超级电容器通过电荷分离储存能量，能够提供快速的能量释放，并在多次充放电循环后性能下降较小[8]、[9]。尽管有这些优势，当前的研究仍集中在提高能量密度、降低成本以及增强环境可持续性和耐用性上[10]。

提高超级电容器性能的一种有前景的方法是结合先进的赝电容材料和常规电容材料，如MnO₂、RuO₂、MoS₂、GO、碳和碳纳米管[11]、[12]、[13]。科学家们对CeO₂/MnO₂复合材料在超级电容器应用中的潜力表现出极大兴趣，因为它们的电化学性质适合改善储能性能。MnO₂是一种过渡金属氧化物（TMO），以其显著的赝电容行为而闻名，能够在电极和电解质界面通过快速可逆的还原-氧化反应实现高效能量储存[14]。CeO₂是一种稀土金属氧化物，因其优异的电导率、化学稳定性和催化性能以及环保特性而脱颖而出[15]、[16]。将MnO₂和CeO₂结合到复合结构中，可以协同提高能量储存性能，优化电荷传输动力学并增加总体电容，使其成为尖端超级电容器应用的有希望的选择。

基于生物质的碳资源因其可持续性、环保的低成本加工工艺和良好的电化学性能而受到青睐[17]。传统的碳源如石墨和碳纳米管通常来自不可再生资源，其加工过程耗时耗能，而基于生物质的碳则来源于常见的农业和林业废弃物。此外，将这类材料用于超级电容器储能可以减少对环境的影响，是最佳解决方案之一。在本研究中，我们使用了基于生物质的碳材料[18]。基于生物质的碳具有多孔结构和有用的表面特性，有助于电子快速移动并提供大量的储存位点，适用于储能应用[19]。CLsAC生物质衍生碳材料与CeO₂/MnO₂结合使用，可以实现高能量密度和功率密度。

本研究探讨了超级电容器的基本原理，并评估了CeO₂/MnO₂复合材料在提高储能效率方面的潜力。我们重点关注这些材料之间的协同作用，探索它们的电化学行为，并回顾了其合成和表征的最新进展。此外，还探讨了CeO₂/MnO₂复合材料的独特属性，使其成为高效储能的有希望的选择。同时，也回顾了CeO₂/MnO₂异质结构在合成和表征方面的最新发展，强调了其在各种应用中的结构和电化学特性。

材料

高锰酸钾（KMnO₄）、六水合硝酸铈（Ce(NO₃)₃.6H₂O）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和商用活性炭均从Sigma-Aldrich（印度）购买，纯度至少为99%。所有用于合成过程的化学品均未经进一步纯化。硫酸（H₂SO₄）、氢氧化钠（NaOH）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）从Thomas Baker购买。干燥的腰果壳来自印度浦那的一个农场。双蒸馏水（DDW）

结果与讨论

原始CeO₂纳米粒子、MnO₂纳米线以及CeO₂/MnO₂异质结构的X射线衍射（XRD）分析结果如图2(a)所示。MnO₂光谱中的衍射峰2θ = 25.5°、28.6°、37.4°、41.8°、49.6°、55.6°、59.8°和65.4°分别对应于正交晶体结构（JCPDS卡片编号44-0141）[20]。CeO₂光谱中的峰2θ = 29.3°、34.0°、48.3°、57.2°和59.9°对应于其立方晶体结构（JCPDS卡片编号）。

结论

通过水热技术成功合成了MnO₂纳米线、CeO₂纳米粒子以及CeO₂纳米粒子修饰的MnO₂纳米线异质结构。由于CeO₂和MnO₂组分之间的协同作用，CeO₂/MnO₂异质结构表现出更好的能量储存性能和速率能力。CeO₂/MnO₂衍生的超级电容器在1 A g^?1?1。

作者贡献声明

Swapnil Bhosale：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析。Lina N. Khandare：撰写——初稿、概念化。Swapnaja Gajbhiye：撰写——初稿、方法论。Amol S. Vedpathak：撰写——初稿、资源准备。Vijay H. Ghadage：撰写——初稿、监督、数据分析。Nandu B. Chaure：审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、数据分析。

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所述的工作。

致谢

LNK衷心感谢印度浦那Savitribai Phule大学提供的财务支持。

Swapnil R Bhosale是浦那Savitribai Phule大学的博士研究生。他已在浦那Savitribai Phule大学完成硕士学位。他的研究兴趣包括超级电容器和储能应用。