释放Fe?TiO?纳米颗粒的潜力：一种有前景的伪电容材料，可用于下一代超级电容器

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Unlocking the potential of Fe 2TiO 5 nanoparticles: A promising pseudocapacitive material for next-generation supercapacitors

本研究采用低成本水热法合成结晶Fe?TiO?纳米颗粒，并作为伪电容电极材料。经结构、形貌和元素表征，其电化学性能在1 M LiClO?水溶液中表现出峰值比电容444 F/g，对称电池器件在750 W/kg功率密度下实现68.35 Wh/kg能量密度，验证了FTiO作为高效储能材料的潜力。

　　

Sutripto Majumder|Swapnil S. Karade|Raman Kumar|Raja Venkatesan|Dinesh|Sarah A. Alshehri|Hieu Minh Nguyen|Ki Hyeon Kim

韩国庆尚道岭南大学物理系，邮编38541

摘要

纳米结构材料已成为下一代超级电容器中的关键组成部分，具有出色的能量存储能力。本研究介绍了一种经济高效的水热合成方法，用于制备结晶态Fe₂TiO₅（FTiO）纳米颗粒，并展示了其作为高效超级电容器材料的潜力。合成的FTiO纳米颗粒经过了多种结构、形态和元素特性的分析。通过循环伏安法（CV）和恒电流充放电法（GCD）在1 M LiClO₄水溶液中评估了其电化学性能。FTiO电极在1 mA电流下表现出444 F g^?1的峰值比电容。此外，使用1 M LiTFSI（四乙二醇二甲醚）电解质的NF/FTiO//FTiO/NF纽扣电池装置在750 W kg^?1的功率密度下实现了68.35 W h kg^?1的能量密度。研究结果表明Fe₂TiO₅是一种有前景的赝电容器材料，能够提供优异的电荷存储性能和稳定性，为创新的能量存储解决方案奠定了基础。

引言

由于气候变化、化石燃料的枯竭以及能源获取问题，对可持续能源解决方案的迫切需求加速了可再生能源技术的发展。除了能量收集之外，高效可靠的能量存储系统对于稳定间歇性可再生能源至关重要。在各种存储设备中，超级电容器因其高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命而受到广泛关注[1]。与传统电池相比，超级电容器具有操作优势，但能量密度相对较低[2,3]。超级电容器大致分为电双层电容器（EDLCs）和赝电容器[4]。EDLCs依靠电极/电解质界面的静电电荷存储，而赝电容器则利用快速且可逆的表面或近电极表面的法拉第反应，从而实现更高的比电容和更宽的电压窗口[5,6]。这两种类型的性能在很大程度上取决于电极材料的固有特性和结构设计[7]。

碳纳米材料（如石墨烯和碳纳米管）因其较大的表面积和优异的导电性而被广泛用于EDLCs，但它们的有限比电容限制了能量密度的提升[[8], [9], [10]]。导电聚合物可以提供赝电容，但在循环过程中存在机械稳定性和耐久性的挑战[11,12]。相比之下，过渡金属氧化物陶瓷（TMOCs）具有多个可获得的氧化还原状态、高理论电容和良好的化学稳定性，使其成为有前景的赝电容器候选材料[13,14]。最近对TMOCs（如MnO₂ [15]、Co₃O₄ [16]、NiO [17]、V₂O₅ [18]、Fe₂O₃ [19]、FeCo₂O₄ [20]等）的研究表明，通过纳米尺度工程、异质结构设计和成分调整，其电化学性能得到了显著提升。

在TMOCs中，Fe₂TiO₅（FTiO）是一种由地球丰富且低成本元素组成的三元氧化物，在超级电容器应用中显示出潜力，但尚未得到充分探索。FTiO具有几个独特特点：（i）其正交结构可以容纳多个氧化还原对（Fe³⁺/Fe⁰和Ti⁴⁺/Ti³⁺），从而实现高电荷存储容量[21,22]；（ii）Fe和Ti离子的协同作用增强了氧化还原可逆性和电子导电性[23]；（iii）其坚固的晶体框架在长时间循环中提供了结构稳定性[24]。然而，FTiO的块状形式具有较低的固有导电性和缓慢的离子传输，这限制了其实际应用性能。最近的研究策略包括碳复合[25]、设计纳米结构形态[26]和异质原子掺杂[27]，但对纯纳米结构FTiO电极在赝电容器中的应用仍缺乏系统研究。

最新文献进一步强调了FTiO在多种电化学系统中的多功能性。例如，Xie等人证明还原氧化石墨烯涂层改善了FTiO纳米颗粒（NPs）在锂离子电池中的导电性和电化学性能[28]。Kang等人通过电纺制备了一维FTiO纳米链，在锂离子电容器中表现出高比电容和稳定性[29]。Jafari等人强调了超级电容器电极的结构稳定性和纳米孔设计的重要性[30]，而Ahmed等人强调了混合器件相对于其他TMOCs在实现竞争性能量和功率密度方面的潜力[31]。这些研究共同揭示了FTiO的潜力，但也指出了对纳米结构FTiO在超级电容器应用中系统研究的不足。

在这项工作中，我们报道了一种简单的水热合成FTiO NPs的方法，并系统地研究了其在对称超级电容器配置中的电化学性能。设计的电极表现出高比电容、优异的倍率性能和稳定的循环性能。值得注意的是，组装的纽扣电池装置在750 W kg^?1的功率密度下实现了68.35 Wh kg^?1的能量密度，超过了最近报道的几种基于TMOC的系统。据我们所知，这是首次系统性地证明水热合成的FTiO NPs作为高效赝电容器电极的应用。这些发现不仅突出了我们方法的新颖性，还确立了FTiO作为下一代能源存储系统中的经济高效和高性能候选材料。

实验部分

本研究中使用的所有化学品均为分析级，无需进一步纯化。盐酸（37%）、乙醇（≥99.5%）、九水合硝酸铁(III) [Fe(NO₃)₃·9H₂O]（≥98%）、异丙醇（≥99.5%）、异丙氧基钛（≥99.5%）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和高氯酸锂（LiClO₄，≥98%）均购自Sigma-Aldrich。N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）购自Merck（韩国）。

FTiO NPs的成核和生长机制

前体转化为FTiO NPs的过程如图2所示。该过程包括水解、成核、缩合、脱水和结晶等一系列步骤。在初始阶段，Fe(NO₃)₃.9H₂O在异丙醇中解离，释放出Fe³⁺离子。同时，异丙氧基钛发生部分水解，生成Ti-OH物种。这些物种之间的相互作用导致了...

结论

在本研究中，通过经济高效的水热方法成功合成了Fe₂TiO₅（FTiO）纳米颗粒，并将其作为赝电容器电极材料进行了评估。结晶态FTiO NPs表现出明确的表面特征，在1 M LiTFSI（四乙二醇二甲醚）电解质中的对称纽扣电池配置下，在1 mA电流下实现了444 F g^?1的峰值比电容和68.35 Wh kg^?1的能量密度。此外...

CRediT作者贡献声明

Sutripto Majumder：概念构思、形式分析、数据管理、方法论、研究、验证、初稿撰写、审稿与编辑。Swapnil S. Karade：数据管理、验证、审稿与编辑。Raman Kumar：形式分析。Raja Venkatesan：形式分析、审稿与编辑。Dinesh：形式分析。Sarah A. Alshehri：形式分析、审稿与编辑、资金获取。Hieu Minh Nguyen：形式分析。Ki Hyeon Kim：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得Princess Nourah bint Abdulrahman大学的研究支持项目（PNURSP2025R715）的支持。