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        CoFe?O?@rGO的簡易綠色制備及其電化學性能評估,用于下一代儲能設備

        《Diamond and Related Materials》:Facile green fabrication and electrochemical evaluation of CoFe 2O 4@rGO for next generation energy storage devices

        【字體: 時間:2026年03月03日 來源:Diamond and Related Materials 5.1

        編輯推薦:

          本研究采用Fagonia arabica提取物綠色合成CoF-NPs及其與rGO的納米復合材料,通過FTIR、XRD等表征證實材料結構,電化學測試顯示CoF-NCs在超級電容器中表現優異,能量密度10.2 Wh/kg,功率密度2025 W/kg,循環穩定性達5000次98%效率,證實rGO增強性能,為可持續能源存儲提供新方案。

          
        Naveed Aslam Dogar|Muhammad Pervaiz|Muhammad Shahbaz|Shahzad Sharif|Umer Younas|Areej Farhat|Zohaib Saeed|Rana Rashad Mahmod Khan|Sami Ullah
        拉合爾政府學院大學化學系,巴基斯坦54000

        摘要

        開發高效且可持續的納米材料現已成為儲能設備的基礎。研究人員正致力于設計和合成新型納米材料,以滿足可持續發展的目標。在本研究中,合成了鈷鐵氧體納米顆粒(CoF-NPs)及其與還原氧化石墨烯(CoF-NCs)的納米復合材料。Fagonia arabica提取物被用于CoF-NPs的合成。樣品的表征通過FTIR、XRD、SEM和EDX技術進行。樣品的電化學性質也通過循環伏安法(CV)、恒電流充放電(GCD)和電化學阻抗譜(EIS)進行了研究。與rGO結合后,CoF-NPs的電化學性質得到了改善。CoF-NCs表現出更好的電化學性質,因此使用活性炭(AC)作為對電極制備了混合超級電容器。記錄到的能量密度為10.2 Wh/kg,功率密度為2025 W/kg。通過進行5000次GCD循環測試,其庫侖效率達到了98%。所有電化學特性均表明CoF-NCs在電化學應用方面優于CoF-NPs,因此推薦CoF-NCs用于下一代儲能設備。

        引言

        節能是當務之急,也是可持續發展的一部分,已經開發并應用了多種材料來儲存和節約能源[1]。納米顆粒(NPs)及其與含碳材料的復合材料在儲能設備中具有獨特的電化學潛力[2]。由于其多方面的物理化學性質、晶體結構、尺寸、形狀、表面積與體積比以及磁光和電光特性,納米顆粒在生物和非生物領域有廣泛的應用[3]。目前有多種合成NPs的方法,包括水熱法、共沉淀法、激光燒蝕法、溶膠-凝膠法和電噴霧法。然而,這些方法產量較低,并且對環境可持續性存在負面影響[4],[5]。人們關注于環保的NPs和納米復合材料(NCs)的合成,研究人員報告了基于植物材料的綠色方法,在成本、快速性、可持續性和成本效益方面具有優勢[6]。
        納米材料有多種類型,如有機納米材料、無機納米材料,特別是基于碳的材料,這些材料還可以進一步分類[7]。涉及碳納米管和石墨烯的碳基納米材料已被報道用于多種應用[8]。過渡金屬納米顆粒(如硒化物、硫化物、氧化物、磷酸鹽和磷化物)表現出優異的能量密度和比電容。金屬納米顆粒有潛力降低電阻、提高比電容,并能有效修飾電極表面。結構和表面修飾可以提高電池和超級電容器的循環穩定性、能量密度和充放電速率,從而有利于儲能和快速能量傳輸[9],[10]。摻鎳的Co3O4納米顆粒表現出增強的電化學性能,即使在多次循環后仍保持顯著的比電容和容量保持率。在超級電容器中使用納米顆粒顯示了它們在儲能技術中的潛在用途[11]。
        氧化石墨烯(GO)是石墨烯的氧化衍生物,是一種單原子層狀材料,具有更好的機械和表面性能。氧化石墨烯由碳原子的六角晶格組成,與石墨烯相同,但帶有各種含氧基團。GO的還原過程引人關注,因為這會導致疏水性和電導率的損失[12]。由于氧化作用,氧化石墨烯的熱導率和電導率較低,盡管如此,它仍被報道用于電化學和儲能應用。而rGO作為一種高效的電極材料,其優異的導電性和較大的表面積使其能夠實現高能量儲存和快速充放電循環[13]。rGO與其他納米顆粒的結合可以形成具有增強應用潛力的納米復合材料[14]。rGO與金屬鐵氧體納米顆粒的納米復合材料顯示出在電化學應用方面的性能提升。在一項研究中,通過有效的綠色方法制備了rGO-CoF納米復合材料,發現其磁性和電學性質適合技術應用[15]。
        當前需要高功率密度、高循環穩定性和環境可持續性的儲能設備。像CoFe2O4這樣的過渡金屬鐵氧體由于其結構穩定性和良好的氧化還原化學性質而至關重要[16]。由于純CoF-NPs的低電導率和緩慢的電荷傳輸動力學,其在超級電容器中的使用受到限制,這影響了它們的電化學效率和速率能力。為了解決這一限制,建議將這些納米顆粒與rGO結合使用[17]。大多數已報道的研究采用了含有有毒化學物質和不可持續的方法。植物介導的綠色合成方法受到不同研究人員的關注[18]。當前的工作建立了納米材料的綠色合成與高性能儲能設備之間的直接聯系。
        在一項研究中,通過熱分解合成了鈷鐵氧體和鎳鐵氧體納米復合材料,并研究了它們的電化學性質。在1 A/g的電流下,CoFe2O4和NiFe2O4的比電容分別為836 F/g和1096 F/g。這些納米復合材料在5000次循環后表現出優異的循環穩定性和容量保持率[19]。使用植物提取物合成了rGO,并報道了其在廢水處理中的潛力[20],[21]。在不同的研究中,報道了綠色合成還原氧化石墨烯功能化金屬納米顆粒在清潔能源應用中的有效性[22]?紤]到金屬納米顆粒和rGO的協同作用,不同的納米復合材料被報道為儲能設備的潛在候選材料[23],[24]。使用rGO和CoF-NPs制備的電極由于多孔納米結構和大的表面積,可以表現出高比電容和長循環穩定性。通過一步溶劑熱法合成了甘醇功能化的CoF-NPs及其與rGO的復合材料,并評估了其作為超級電容器電極的潛力[17]。與CoF-NPs相比,鈷鐵氧體與rGO的納米復合材料顯示出更好的電化學性能[17]。
        文獻調查顯示,使用Fagonia arabica提取物綠色合成CoFe2O4納米顆粒和CoFe2O4@rGO納米復合材料尚未有相關報道。綠色合成納米鐵氧體及其復合材料可能更加有效、環保和可持續。本研究的創新之處在于使用Fagonia arabica提取物開發了一種環保的合成方法來制備CoF-NPs和CoF-NCs。這些材料還通過FTIR、XRD和SEM-EDX等技術進行了表征。然后研究了這些樣品在超級電容器應用中的性能,并將納米顆粒的電化學性質與納米復合材料進行了比較。此外,還研究了與rGO結合后納米顆粒電化學性能的改善情況。

        材料

        六水合氯化鈷(CoCl2.6H2)、六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2)、蒸餾水或去離子水、乙醇(C2H5O)、Fagonia arabica、石墨粉、濃H2SO4、氫氧化鈉(NaOH)、高錳酸鉀(KMnO4、10% HCl。所有化學品和試劑均來自Sigma-Aldrich,純度為分析級。

        Fagonia arabica提取物的制備

        將25克Fagonia arabica粉末放入500毫升蒸餾水中,在熱板上以4500轉/分鐘的速度磁力攪拌2小時。

        CoF-NPs和CoF-NCs的FTIR分析

        在圖2A中,FTIR光譜顯示在約3349 cm?1處有一個寬吸收帶,對應于O–H伸縮振動;而在約1625 cm?1處的帶則歸屬于吸附水分子的H–O–H彎曲振動。在1420–1190 cm?1范圍內觀察到的峰與有機殘留物的C–O伸縮振動有關。尖晶石結構特有的金屬–氧伸縮振動分別在約668 cm?1和約437 cm?1處出現,證實了鈷鐵氧體納米顆粒(CoFe2O4或CoF-NPs)的成功形成。

        結論

        在本研究中,通過使用植物提取物作為還原劑和穩定劑,成功合成了鈷鐵氧體納米顆粒(CoF-NPs)及其與rGO的納米復合材料(CoF-NCs)。使用植物提取物的綠色合成是一種環保的方法,確保了有效納米顆粒及其納米復合材料的可持續合成。全面的電化學分析表明,加入rGO顯著提高了...

        CRediT作者貢獻聲明

        Naveed Aslam Dogar:撰寫——原始草稿、方法論、實驗研究。Muhammad Pervaiz:監督。Muhammad Shahbaz:數據管理。Shahzad Sharif:資源提供。Umer Younas:項目管理。Areej Farhat:數據分析。Zohaib Saeed:數據分析。Rana Rashad Mahmod Khan:可視化處理。Sami Ullah:驗證。

        利益沖突聲明

        作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
        致謝
        作者感謝拉合爾政府學院的研究與商業化辦公室(ORIC)的支持。作者還感謝King Khalid University的研究與研究生院通過項目編號RGP2/577/46提供的資金支持。
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