研究背景
随着全球能源危机的加剧和环境污染问题的日益严重，开发高效、低成本、环境友好的能源存储设备成为了一个重大挑战。超级电容器（SCs）因其在能量存储方面的潜力而受到广泛关注。尽管如此，传统超级电容器的能量密度相对较低，这限制了它们在大规模能量存储中的应用。为了满足更高能量密度的需求，科研人员正在探索新的超级电容器电极材料，如MoO3−x、Fe2O3和金属氮化物等。特别是基于铁的氧化物因其高理论容量和良好的稳定性而受到广泛关注。然而，这些材料的电子传输性能较差，严重阻碍了电化学反应动力学。为了解决这些问题，研究人员提出了多种策略，包括构建具有独特形态的纳米结构和复合材料，以及通过界面工程来增强电化学反应位点。此外，异质原子掺杂也被证明可以显著改善α-Fe2O3的电荷传输性能。尽管取得了一定的成功，但大多数报道的基于铁的氧化物仍然存在较差的速率能力，其能量存储容量仍未达到预期。因此，除了合理的设计策略外，还需要大量的努力来探索外部辅助和自优化方法，以进一步提高基于铁的氧化物的能量存储容量。。
成果简介
在这项研究中，科研人员通过异质原子掺杂和界面工程策略，设计并合成了Mn掺杂的Fe2O3/还原氧化石墨烯（Mn-Fe2O3/rGO）电极材料，并详细研究了其在磁场辅助下的磁性超级电容器特性。理论计算显示，将Mn2+掺入Fe2O3可以调节Fe原子周围的电子局域化，从而在Fe 3d轨道电子中产生自旋极化。实验结果表明，优化后的Mn-Fe2O3/rGO纳米结构在室温下表现出铁磁性特性，并具有负磁阻效应，这表明在外加磁场下，大量的自旋极化电荷迅速参与表面电荷-放电反应。这一现象导致其在1 A g−1时的比电容达到了2956.4 F g−1，并且具有优异的循环稳定性。此外，不对称超级电容器（ASC）设备在3.93 kW kg−1的功率密度下实现了220.19 W h kg−1的能量密度，并在5000个循环后保持了98.5%的优异电容保持率。这项工作为提高基于金属氧化物电极材料的磁性超级电容器的性能铺平了道路。
图文导读
图1 (a) α-Fe2O3的晶体结构。(b,c) α-Fe2O3和Mn掺杂α-Fe2O3的投影态密度(PDOS)。(d,e) α-Fe2O3和Mn掺杂α-Fe2O3中不同Fe 3d轨道的PDOS。。
图2 (a) Mn-Fe2O3/rGO和Fe2O3/rGO的XRD图谱。(b) Mn-Fe2O3/rGO和Fe2O3/rGO的拉曼光谱。(c,d) Mn-Fe2O3/rGO的TEM和HRTEM图像。。
图3 (a-d) Mn-Fe2O3/rGO的Fe 2p、Mn 2p、O 1s和C 1s的XPS光谱。，
图4 (a) Mn-Fe2O3/rGO和Fe2O3/rGO的磁滞回线。(b) Mn-Fe2O3/rGO和Fe2O3/rGO的磁输运行为。
图5 (a,b) Mn-Fe2O3/rGO和Fe2O3/rGO在不同扫描速率下的CV曲线。(c,d) Mn-Fe2O3/rGO和Fe2O3/rGO在不同电流密度下的GCD曲线。(e) Mn-Fe2O3/rGO在有无磁场下的比电容。(f) Mn-Fe2O3/rGO在有无磁场下的循环稳定性。。
图6 (a) Mn-Fe2O3/rGO和Fe2O3/rGO的Tauc图。(b) Mn-Fe2O3/rGO在有无磁场下的EIS。
小结
这项研究通过结合异质原子掺杂和界面工程策略，设计并合成了纳米结构的Mn-Fe2O3/rGO作为能源存储的电极材料。结合密度泛函理论（DFT）计算和实验分析，Mn2+的掺入调节了Fe原子周围的电子局域化，导致Fe 3d轨道的自旋极化，从而显著增强了由于磁场驱动的自旋极化而产生的电荷传输。此外，优化的Mn-Fe2O3/rGO纳米结构在室温下表现出铁磁性特性和负磁阻效应。因此，Mn-Fe2O3/rGO实现了2956.4 F g−1的卓越比电容。而且，ASC设备在3.93 kW kg−1的功率密度下达到了220.19 W h kg−1的显著能量密度，并在5000个循环后保持了98.5%的优异电容保持率。这项工作为提高基于金属氧化物电极材料的磁性超级电容器的性能提供了一种经济的方法。
文献：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161690
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