锰嵌入赤铁矿烯/还原氧化石墨烯纳米复合材料在超级电容器中的应用研究

【编辑推荐】本研究通过水热法合成锰嵌入赤铁矿烯/还原氧化石墨烯（Mn-HMT/rGO）复合材料，显著提升超级电容器的能量密度（11.2 Wh/kg）和循环稳定性（10000次循环后容量保持率90%）。该材料结合了二维非范德华（nvdW）材料HMT的催化特性与rGO的导电性，通过Mn2+的氧化还原活性实现598 F/g的高比电容（CV/GCD测试），为下一代储能器件开发提供新思路。

　　

Highlight
锰作为高氧化还原活性和电负性的过渡金属阳离子，其碳基材料可作为导电耐久集流体，通过促进离子扩散和缩短电子传输路径显著提升倍率性能。带负电的rGO纳米片通过静电作用与HMT紧密结合，而MnO₂凭借高电荷密度（理论电容达1370 F/g）和Mn离子的多价态特性（Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺）成为研究焦点。相较于铁，锰的原子半径相似且多价态特性更优，可在不破坏晶体结构的前提下提升超级电容器性能。

Materials and analytical instrumentation
实验采用印度塔塔研究所提供的赤铁矿原料，以MnCl₂·4H₂O为锰源，通过改进Hummers法制备GO。使用XRD（23.5°特征峰确认rGO形成）、SEM和拉曼光谱表征材料结构，电化学性能通过三电极体系（1 A/g电流密度下比电容598 F/g）和纽扣型非对称器件评估。

XRD
XRD图谱显示，rGO在2θ=23.5°处的宽峰表明GO经热还原后含氧官能团消除，42.7°峰对应石墨烯面内C-C有序排列。Mn-HMT/rGO复合物中赤铁矿刚玉结构衍射峰与标准卡片（JCPDS 33-0664）匹配，Mn嵌入未引起晶格畸变。

Conclusion
Mn-HMT/rGO异质结构通过水热法成功构建，其独特的二维/三维混合导电网络使超级电容器在3000次循环后仍保持80%容量，突破传统材料"高电容-低稳定性"的 trade-off 瓶颈，为新型储能器件设计提供范式。