Fe2O3/N掺杂还原氧化石墨烯负极材料对高稳定性非对称超级电容器电化学性能的影响机制研究

这篇研究通过水热法合成Fe2O3/N掺杂还原氧化石墨烯（N-rGO）负极与MnO2/N-rGO正极复合材料，构建了全赝电容型非对称超级电容器（ASC）。研究发现Fe2O3含量显著影响负极孔隙结构和表面化学性质，优化后的ASC在1 M Na2SO4中性电解液中实现25.3 Wh kg?1的能量密度和94%的万次循环稳定性，为环境友好型储能器件设计提供新思路。

　　

引言

能源危机与环境污染推动了对可再生能源存储设备的迫切需求。超级电容器因其高功率密度和长循环寿命成为研究热点，其中非对称超级电容器（ASC）通过组合不同电极材料可突破传统器件电压限制。本研究聚焦铁基（Fe₂O₃）和锰基（MnO₂）氧化物与氮掺杂还原氧化石墨烯（N-rGO）的协同效应，采用中性电解液解决传统强酸强碱体系的腐蚀性问题。

材料表征

通过场发射扫描电镜（FESEM）观察到FNG1:1复合材料中20-50 nm的Fe₂O₃纳米颗粒密集覆盖石墨烯表面，而FNG1:4则呈现更开放的孔隙结构。X射线光电子能谱（XPS）证实Fe³⁺和Mn⁴⁺/Mn³⁺的氧化态特征，氮元素以吡啶型（N-6）和吡咯型（N-5）为主。比表面积测试显示FNG1:4的BET表面积达380 m² g^?1，显著高于FNG1:1的184 m² g^?1，孔径分布显示1.5-4.8 nm的介孔优势。

电化学性能

三电极测试表明FNG1:4在10 mV s^?1扫描速率下比电容达125 F g^?1，优于FNG1:1的104 F g^?1。Dunn分析揭示FNG材料以表面控制电容为主（>77%），而MNG正极的扩散控制贡献达38.7%。组装的FNG1:4|MNG ASC在2 V电压窗口下展现18.3 Wh kg^?1的能量密度，10 A g^?1高倍率下仍保持72 F g^?1电容。电化学阻抗谱（EIS）显示FNG1:4电荷转移电阻（5.7 Ω）仅为FNG1:1的一半。

循环稳定性

经过10,000次充放电循环后，FNG1:4|MNG保持93.7%初始容量，而Fe₂O₃含量高的FNG1:1|MNG仅剩61.3%。SEM后分析发现FNG1:1电极出现纳米针状形变，证实过量Fe₂O₃会引发析氢副反应。优化的FNG1:4电极因其高氮掺杂量（5.5 at.%）和分级孔隙结构，有效抑制了电解液分解。

结论

该工作证明通过调控Fe₂O₃/N-rGO复合比例可平衡ASC器件的能量密度与循环稳定性。使用廉价铁锰前驱体与中性电解液的组合，为开发环保、高效储能系统提供了可行方案，其性能指标优于多数文献报道的Fe-Mn基ASC体系。