表面活性剂辅助合成高比表面积锰苹果酸酯用于超级电容器应用

时间:2026年1月23日
来源:Journal of Energy Storage

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表面活性剂辅助水热法合成具有可调比表面积和孔结构的锰草酸材料,以提升超级电容器性能。研究显示,阳离子表面活性剂CTAB合成的纳米棒材料比表面积大,孔多且均匀,在1 A g⁻¹电流下比电容达227 F g⁻¹,表现出优异的电化学稳定性和循环寿命。

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Krithika Mani | Sunil Kumar R.K. | Devaraj S.
ABCDE技术创新中心,SASTRA公认大学,Thanjavur,613401,印度

摘要

超级电容器因其快速的充放电能力和长循环寿命而具有吸引力。然而,它们的能量密度低于电池。为了解决这个问题,研究界一直在开发具有高能量和高功率能力的新电极材料。另一方面,人们也在不断努力提高现有材料的能量密度。本文采用表面活性剂辅助的溶剂热方法来调节锰苹果酸的表面面积和孔隙率,以改善其电容性能。使用两种不同的离子表面活性剂(即十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)合成了具有不同纹理特性的纳米结构锰苹果酸。使用不同表面活性剂合成的锰苹果酸的FTIR光谱和X射线衍射图谱证实了锰苹果酸的成功形成。N2吸附和形态学研究表明,表面活性剂的离子性在调节表面面积、孔径、孔体积和形态方面起着关键作用。在各种锰苹果酸样品中,使用CTAB合成的锰苹果酸表现出较高的比表面积和大量的介孔,这增强了材料对电解质的润湿性,提供了更多的离子吸附/脱附活性位点,并促进了法拉第反应,从而实现了优异的充电性能(在1 A g−1电流下比电容高达227 F g−1,良好的倍率保持能力和出色的循环稳定性)。

引言

由于可再生能源产量的稳步增加以及便携式电子产品的不断生产,对电化学储能装置的需求正在上升[1]、[2]、[3]。在电化学储能装置中,超级电容器适用于需要快速释放能量的应用,例如加速、爬坡和紧急窗户的开启等[4]、[5]。此外,超级电容器还用于电力管理、汽车中的再生制动、降低商业环境中的峰值功耗以及缓解可再生能源发电的波动[6]。由于其轻便和柔性的特点,它们也被用于可穿戴电子设备、传感器和医疗设备中。
根据充电存储机制,超级电容器被分为双电层电容器(EDLCs)、赝电容器和混合电容器[7]。在EDLCs中,电极-电解质界面的离子吸附/脱附有助于充电存储,而在赝电容器中,快速的法拉第反应主导了充电存储,双电层形成的贡献较小[8]、[9]。由于界面处离子吸附/脱附的优异可逆性和快速动力学,EDLCs表现出高功率和长循环寿命[10]、[11]。然而,它们的能量有限。另一方面,赝电容器由于快速的法拉第反应而提供高能量,但功率和循环寿命有限[12]、[13]。混合电容器是通过结合可极化电极(碳基)和非极化电极(金属基或导电聚合物)制成的[7]。换句话说,混合电容器是使用电容材料和类似电池的材料组装而成的[14]。混合电容器的优点包括扩展了工作电压窗口,比EDLCs和赝电容器具有更高的能量和功率[15]。
电极材料的选择至关重要,因为它决定了超级电容器的性能[8]。通常,具有大表面面积、高孔隙率、良好的氧化还原活性、优异的可逆性和良好电导率的材料更受青睐。用于超级电容器的材料可以分为碳基材料[16]、金属氧化物[17]、金属氢氧化物[18]、金属碳酸盐[19]、金属硒化物[20]、MXenes[22]、金属有机框架[23]、导电聚合物[24]等。其中,高表面面积的未功能化碳表现出EDLC行为,而功能化碳、过渡金属基材料和导电聚合物则表现出赝电容特性。
超级电容器领域的主要研究主要集中在提高现有材料的性能以及发现新的、既经济又环保的材料,同时提供高能量和功率密度[25]。在这方面,电沉积锰苹果酸作为一种有前景的电极材料出现,其在1 A g−1−1

实验部分

实验

本研究中使用的所有化学品均为分析级,无需进一步纯化即可使用。无水氯化锰(II)、六水合高氯酸镁和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)购自Alfa Aesar。DL-苹果酸和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)购自印度SRL。氢氧化钠购自Sigma Aldrich。厚度为0.05毫米的304级不锈钢(SS)箔由Labtronics Enterprises公司提供。

结果与讨论

在12.2、16.3、17.2、19.8、23.2、24.5、25.5、27.1、27.9、33.6、35.4、36.8、38.7、41.7、45.1和46.2°的2θ值处观察到的衍射峰(图1a)与锰苹果酸三水合物的 orthorhombic 结构相对应(ICDD编号:51–2465)。虽然使用SDBS作为锰苹果酸制备的软模板时,衍射峰的位置和强度没有显著变化,但所有

结论

总之,通过表面活性剂辅助的溶剂热方法合成了具有可调纹理特性的锰苹果酸。表面活性剂的选择在调节锰苹果酸的纹理特性方面起着关键作用,这一点通过形态学和N2吸附研究得到了证实。在SDBS和CTAB之间,阳离子表面活性剂CTAB控制了纳米棒的聚集并引导了其生长,从而形成了聚集较少、表面积大且具有大量介孔的纳米棒。

CRediT作者贡献声明

Krithika Mani:撰写——原始草稿、验证、方法论、数据分析。Sunil Kumar R.K.:数据分析。Devaraj S.:撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢科学技术部通过PURSE计划(SR/PURSE/2023/165)提供的财政支持,以及SASTRA公认大学提供的基础设施支持。

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