Ce/ZrO?：基于结构、磁性、铁电性和电化学特性的Trasatti超级电容器制备机制

《Materials Advances》：Ce/ZrO 2: Structural, magnetic, ferroelectric and electrochemical based Trasatti’s mechanism for supercapacitors

Ce掺杂锆氧化物材料通过固相法合成，研究其结构稳定性和电化学性能。XRD显示材料为单斜相，禁阻对称性源于畸变四面体位点。紫外可见光谱表明掺杂后禁带宽度从1.80 eV降至1.51 eV，晶粒尺寸增大促进电子态靠近。循环伏安和充电放电测试表明材料呈现显著伪电容特性，掺杂浓度0.6时Csp达647.83 F/g，电双层电容占比降低至11.85%。Dun's关系分析显示87.7%电荷存储源于电容机制，12.3%为法拉第扩散过程。该研究为高功率密度超级电容器开发提供新思路。

　　在当前全球向碳中和经济转型的背景下，可持续和可再生能源的开发成为重要议题。然而，这些可再生能源产品在供应上存在一定的波动性，因此需要高效的储能系统来稳定能源供应。电池和超级电容器（SCs）作为常见的储能装置，其性能对于实现可再生能源的广泛应用至关重要。超级电容器因其高功率密度和快速充放电能力而受到关注，但其能量密度通常较低，限制了其在某些高能量需求场景中的应用。因此，研究和开发具有优异电化学性能的新型超级电容器材料成为科学界的重要任务。

本研究聚焦于一种新型材料——掺杂氧化铈的氧化锆（Ce?Zr???O?），其中x的取值范围为0.1至0.6。这种材料通过固态法在1200℃下进行4小时的烧结制备。研究采用多种分析手段，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、铁电性能测试、磁滞分析以及电化学性能评估。通过这些手段，研究者能够全面了解材料的结构、形貌、光学特性、铁电行为、磁性以及电化学响应。此外，还通过电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）等技术，进一步分析材料的电荷存储机制。

在结构分析方面，XRD结果和Rietveld精修方法确认了材料的单斜晶系结构。这表明氧化锆在掺杂氧化铈后，其晶体结构发生了显著变化，从而影响了其物理和化学性能。随着Ce含量的增加，材料的带隙逐渐减小，从1.80 eV降低至1.51 eV。这一现象与晶体尺寸的增大密切相关，较大的晶体尺寸导致能级分裂，使得电子态之间的距离缩短，从而促进了电荷的快速迁移和存储。这一特性对于提升材料的电化学性能具有重要意义。

在磁性和铁电性能方面，研究发现掺杂氧化铈的氧化锆表现出软顺磁行为和轻微的漏电流，这表明材料具有一定的伪电容效应。这种伪电容效应主要来源于氧化锆中畸变的四面体结构，使得材料能够通过表面氧化还原反应实现电荷的存储和释放。这一特性不仅增强了材料的电化学性能，还为其在储能领域的应用提供了新的思路。

在电化学性能评估中，研究采用Trasatti方法对材料的总电容（Ct）、电双层电容（Cedl）和伪电容（Cpc）进行了分析。结果显示，当x=0.1时，Ce?.?Zr?.?O?的总电容为339.254 F/g，其中电双层电容占25.58%，而伪电容占74.32%。随着Ce含量的增加，材料的伪电容效应更加显著，当x=0.6时，Ce?.?Zr?.?O?的总电容达到734.94 F/g，其中电双层电容仅占11.85%，而伪电容贡献了89.1%。这表明随着Ce掺杂比例的增加，材料的电荷存储机制逐渐由电双层向伪电容转变，从而显著提升了其能量密度和电容性能。

此外，研究还通过Dun’s关系分析了材料的电荷存储机制，结果显示在扫描速率为10 mV/s的情况下，电容性电荷存储占87.7%，而法拉第扩散控制过程仅占12.3%。这一结果进一步验证了材料在电化学性能上的优越性，表明其具有较高的电荷存储效率和较低的扩散控制损耗。这些特性对于开发高性能的超级电容器具有重要价值。

在材料制备方面，研究者采用固态法对Ce?Zr???O?进行合成。该方法通过精确的化学计量计算，配制不同Ce含量的样品，并在球磨机中进行充分混合以获得均匀的粉末。随后，这些粉末在高温下进行烧结，以形成具有特定结构和性能的材料。这种合成方法不仅能够有效控制材料的组成和结构，还能够实现对材料性能的优化。

在材料表征方面，研究者利用多种先进的分析技术对材料进行了全面评估。XRD用于确认材料的晶体结构，傅里叶红外光谱用于分析材料的化学键合情况，紫外-可见光谱用于研究材料的光学性能，铁电性能测试用于评估材料的电荷存储能力，磁滞分析用于研究材料的磁性行为，循环伏安法和恒流充放电测试用于分析材料的电化学性能，而电化学阻抗谱则用于进一步揭示材料的电荷传输机制。这些表征手段的综合应用，为研究者提供了丰富的数据支持，有助于深入理解材料的性能变化及其背后的物理机制。

在材料应用方面，研究发现掺杂氧化铈的氧化锆在超级电容器领域具有广阔的应用前景。其优异的电化学性能主要得益于氧化锆的结构稳定性和氧化铈的伪电容效应。此外，材料的低电阻和高离子导电性也有助于提高其电荷传输效率，从而增强其储能能力。这些特性使得掺杂氧化铈的氧化锆成为一种具有潜力的高性能超级电容器材料。

综上所述，本研究通过系统分析和实验验证，揭示了掺杂氧化铈的氧化锆材料在结构、形貌、磁性、铁电性和电化学性能方面的变化规律。研究结果表明，随着Ce含量的增加，材料的带隙减小，伪电容效应增强，电荷存储能力显著提升。这些发现不仅为开发新型高性能超级电容器材料提供了理论依据，也为相关领域的应用研究提供了重要的实验数据支持。未来的研究可以进一步探索这些材料在不同应用场景下的性能表现，并优化其制备工艺以实现更广泛的实际应用。