《Journal of the Indian Chemical Society》：Facile synthesis of SrMnO
3 nanorods for high-capacitance supercapacitor devices
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采用共沉淀法制備了SrMnO3納米棒，通過XRD、HR-TEM等確認其六方結構和納米棒形貌，比表面積達37.94 m2/g。電化學測試顯示高比電容（CV:349.70 F/g，GCD:183.03 F/g）和良好循環性能，證實其作為超級電容器電極的潛力。
Krishnasamy Madhumitha | Arputharaj Samson Nesaraj
智能電化學能量轉換系統中心，化學系，高級科學學院，Kalasalingam研究與教育學院（被認定為大學），Anand Nagar，Krishnankoil，626 126，泰米爾納德邦，印度
摘要
通過共沉淀法制備了SrMnO3鈣鈦礦納米棒，并研究了該材料作為儲能電極的潛在特性。使用相應的系統儀器對SrMnO3納米棒進行了物理化學分析，以確認其相結構、微觀結構和功能特性。熱重分析（TGA）研究表明，前驅體混合物發生了熱分解和質量變化。此外，XRD和HR-TEM分析證實了合成的鈣鈦礦具有六方幾何結構。掃描電子顯微鏡（SEM）顯示了棒狀形態，傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和能量色散X射線光譜（EDAX）評估表明形成了預期的鈣鈦礦晶格以及化學連接性。通過BET/BJH分析，發現SrMnO3納米棒的比表面積為37.942 m2 g?1，孔體積為0.061 cm3 g?1，平均孔徑為2.140 nm。通過循環伏安法（CV）、恒電流放電（GCD）和電化學阻抗譜（EIS）等電化學方法評估了這些納米材料的性能。SrMnO3電極的電容分別為349.70 F g?1（CV，2 mV s?1）和183.03 F g?1（GCD，1 A g?1），EIS結果顯示其電阻極低，非常適合用于超級電容器。在三電極系統中，該電極在1000次GCD循環后仍表現出優異的性能，這種性能在兩電極對稱設備中也得到了驗證。
引言
由于全球自然資源短缺，迫切需要開發高性能的替代儲能系統。全球溫室氣體排放增加導致的氣候變化是推動儲能需求的關鍵因素[1]。不斷增長的能源需求要求采取平衡的方法來生產和管理下一代能源。人口增長直接導致了自然資源的枯竭，進一步加劇了對高效能源體系的需求[2]。在過去二十年里，自然資源的開采和生物質利用量激增。溫室氣體的相應增加引發了生態問題，包括氣候變化、極端天氣變化和環境污染[3]。快速的環境發展、工業化和高新技術突破等因素影響了環境可持續性，從而產生了對有效環境發展替代能源的需求。非化石燃料（尤其是太陽能和風能）的使用至關重要；然而，氣候變化對這些可再生能源的影響不容忽視。因此，儲能系統對于當前和未來的能源控制和有效管理至關重要[4,5]。儲能系統在儲存化學能、機械能和熱能方面發揮著關鍵作用。它們通常分為小規模系統（如化學電源和電容器，以化學能、動能、壓縮空氣等形式儲存能量）和大規模系統（如基于熱能或質量的儲能[6]）。在所有儲能設備中，超級電容器/超電容器具有出色的效率和可靠性[7]。它們兼具電容器和電池的特性：像電容器一樣能夠快速輸電，像電池一樣能夠穩定儲存能量，通過電極-電解質界面上的離子-表面相互作用實現能量儲存[8]。超級電容器分為三類：偽電容器（PC）、電化學雙層電容器（EDLC）和混合電容器（HC）[9]。偽電容器通過電極表面的可逆法拉第反應儲存電荷，而EDLC則通過電極-電解質界面靜電儲存電荷。混合超級電容器同時利用這兩種機制進行電荷儲存[10],[11],[12]。鋰離子電池的工作原理基于可逆氧化還原反應，具有高容量儲能能力。二維銀釩酸鹽納米結構表現出良好的電化學性能，表明它們適用于通過氧化還原和物理吸附機制儲存氫[13]。由于運行過程中溫度失控導致的熱不平衡，設備性能會下降[14]。電化學儲氫作為一種有前景的方法應運而生，推動了具有合適儲存機制和特性的先進材料的發展[15]。超級電容器的加入可以優化電池的技術缺點。電池與高容量設備的結合形成了具有增強速率能力和循環性能的混合儲能系統[16]。超級電容器具有更好的儲能能力，并能以非常快的速度為所需應用提供能量。作為混合儲能設備，超級電容器的性能優于電池和傳統電容器。其優異的速率性能使其非常適合高功率應用，因為它們提供了卓越的功率性能、快速的充放電過程和低阻抗。環保特性進一步增強了它們在現代高能量和高功率密度儲能系統中的吸引力[17],[18],[19]。根據儲能機制的不同，超級電容器可分為靜電電容器、偽電容器系統和混合儲能電容器。EDLC通過電極-電解質界面的靜電極化工作，而偽電容器則經歷快速的氧化還原循環[20]。混合電容器同時具備靜電和偽電容器的特性，提供了快速的能量循環和增強的儲能能力[21]。開發具有理想特性的超級電容器需要選擇更好的電極材料。電極表面積越大，電子遷移效果越好。基于碳的電極（如碳納米管（CNTs）、活性炭和石墨烯）由于具有較大的表面積，是良好的電極材料[22]。先進的電極材料（如金屬有機框架、MXenes和層狀雙氫氧化物）已被用于鋰離子電池和超級電容器。設計一維結構可以進一步提高電極的氫儲存效率[23,24]。導電聚合物和過渡金屬氧化物也具有很高的能量儲存潛力，并具有出色的耐用性[25],[26],[27]。近年來，二元和三元過渡金屬氧化物作為有效的電極得到了廣泛應用[28]。電解質的選擇對性能特性也有顯著影響，因為有機基、水基、聚合物和離子導電液體在操作電壓和離子傳輸效率方面表現出不同的特性[29]。優化電極材料可以制造出耐用且高效的超級電容器[30]。鈣鈦礦氧化物的氧價態和獨特性質促進了高效的離子傳輸和良好的電化學性能[31]。基于PrFeO3的納米材料因其可調節的結構和電子性質而受到關注。通過調整合成參數和成分修改，可以提高其功能性能，適用于先進應用[32]。鍶鈣鈦礦氧化物的豐富性和氧化還原活性使其成為高性能儲能的理想電極材料。較大的表面積和納米結構孔隙促進了快速的離子傳導和高效的電子遷移[33]。多種基于鍶的鈣鈦礦氧化物（包括SrCoO3、SrTiO3、SrMnO3、SrFeO3）及其摻雜形式已被研究用于超級電容器應用，因為它們具有相應的電子遷移性、法拉第能量儲存、離子傳導和Fe3+/Fe4+的可逆氧化還原過程[34],[35],[36],[37]。SrMnO3、摻雜SrMnO3、SrMnO3/rGO復合材料、SrMoO4、SrTiO3和ZrV2O7的物理化學性質已被廣泛研究，用于先進技術應用[38],[39],[40],[41],[42],[43]。對材料成分進行微調可以提高其電化學性能，使其成為混合電池系統的更好材料。在我們的研究中，使用濕化學共沉淀法制備了一種新型儲能電極——SrMnO3納米棒。研究了該材料的物理化學性質（包括晶體結構、形態和元素組成），以及電化學性能（包括電荷儲存和庫侖性能）。具有細納米棒結構的鈣鈦礦晶體框架和有效的氧化還原反應表明其在下一代超電容器中具有廣泛應用前景。
材料
本合成中使用的起始材料包括：純度為98%的硝酸鍶（SRL，印度）、純度為99%的硫酸錳（Rankem，印度）、純度為97%的氫氧化鈉顆粒（SRL）、純度為98%的濃硫酸（Sigma-Aldrich，印度）、純度為99.5%的N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP，SRL，印度）以及聚偏二氟乙烯（PVDF，Thermo Laboratories Pvt. Ltd.，印度）。所有化學品均按接收狀態使用，溶液使用蒸餾水配制。
前驅體的熱重分析
Sr(OH)2 + Mn(OH)2前驅體混合物的熱重行為如圖2所示。在空氣氣氛下，將初始質量為4.73 mg的樣品放入開放式鉑坩堝中加熱進行煅燒前，觀察到在50°C附近有1.05%的輕微重量增加，這歸因于大氣中水分或氧的吸附。在67°C時觀察到約0.4%的輕微重量損失，這與表面結合水和揮發性物質的去除有關。
電化學分析
在含有0.5 M H2SO4電解液的三電極系統中，研究了制備的SrMnO3鈣鈦礦電極的電化學性能。對電極和參比電極分別使用鉑絲和飽和甘汞電極（SCE）。通過循環伏安法（CV）、恒電流放電（GCD）等方法研究了電容、氧化還原活性、電荷轉移行為以及電極-電解質界面處的充放電效率。
結論
通過基本的濕化學共沉淀工藝成功制備了SrMnO3鈣鈦礦納米棒，并在700°C下進行了退火處理。SEM分析顯示了納米棒形態，XRD圖譜確認了六方相結構，HR-TEM圖像進一步證實了這一點。制備的納米晶體平均粒徑約為39 nm，晶格層間距為0.573 nm。FT-IR光譜通過特征譜線確認了鈣鈦礦結構的形成。
CRediT作者貢獻聲明
Krishnasamy Madhumitha：撰寫——原始草稿、驗證、方法論、研究。
Arputharaj Samson Nesaraj：撰寫——審稿與編輯、監督、資源管理、項目規劃、概念構思。
利益沖突聲明
- 所有作者均參與了（a）概念設計和數據分析；（b）文章的起草或對重要內容的批判性修訂；以及（c）最終版本的批準。
- 本手稿尚未提交給其他期刊或出版機構，也不在審稿中。
- 作者與任何與本研究主題有直接或間接財務利益的組織無關。
致謝
作者衷心感謝中央電力研究所、印度政府電力部（撥款編號CPRI/R&D/TC/GDEC/2025，日期2025年3月6日）提供的財政支持。作者還感謝Kalasalingam研究與教育學院在智能電化學能量轉換系統中心（位于高級科學學院化學系）提供的基礎設施和實驗室設施。
