碳功能化的Nb2O5纳米结构：提升超级电容器应用中的界面电荷传输性能

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Carbon-functionalized Nb2O5 nanostructures: Improved interfacial charge transfer for supercapacitor applications

碳修饰的Nb?O?纳米结构（C@Nb?O?）通过水热法合成，其高比电容（126.2F g?1）、能量密度（27.5Wh kg?1）和功率密度（650W kg?1）源于碳基复合材料的高比表面积（260.6m2 g?1）和表面缺陷态，电化学测试表明其混合储能机制及优异循环稳定性（12,000次）。

　　

M. Revathi | R.Biju Bennie | C. Joel | S.Theodore David | S. AlFaify | Mohd Shkir

印度泰米尔纳德邦蒂鲁内尔维利市圣约翰学院（隶属于Manonmaniam Sundaranar大学）化学系，邮编627002

摘要

本研究探讨了碳功能化的五氧化二铌（C@Nb?O?）作为高效储能材料的应用潜力。五氧化二铌具有较高的化学稳定性和可逆的氧化还原性质，通过碳功能化处理后，其电导率和电化学性能得到提升。采用适当的分析技术对合成的C@Nb?O?材料的结构、形貌和表面特性进行了分析。X射线光电子能谱证实了其表面化学组成和氧化态，BET等温线显示其比表面积为260 m2 g?1。通过循环伏安法、恒电流充放电分析、电化学阻抗谱及循环稳定性测试评估了该材料的电化学性能。电化学阻抗谱分析表明C@Nb?O?电极具有较低的内阻和辅助扩散的离子传输机制，从而提升了电荷转移动力学。在1 M K?SO?电解质中，该电极在1 A g?1电流密度下实现了126.2 F g?1的比电容。通过组装双电极全电池装置进一步验证了C@Nb?O?的实际应用价值，该装置在1 A g?1电流密度下表现出117.2 F g?1的比电容、27.5 Wh kg?1的能量密度和650 W kg?1的功率密度，并且在12,000次循环测试中保持了优异的循环稳定性，适用于实际超级电容器应用。

引言

随着对太阳能和风能等可再生能源利用的兴趣日益增加，亟需能够应对这些能源不规则输出的储能系统。全球能源问题在很大程度上源于工业化的快速发展和对可持续能源资源需求的增长。因此，开发高效、大容量的储能系统以储存环保能源变得至关重要[1]。虽然传统电池能够储存大量能量，但它们的充放电速率较慢。而电容性和赝电容性材料则能够快速储存和释放能量，并保持良好的循环稳定性，使其适用于下一代储能应用[2]。电容性和赝电容性材料因其较高的功率密度、快速的充放电行为以及出色的循环稳定性而成为有前景的储能材料[3][4]。在电容系统中，能量储存主要通过快速的表面控制过程实现；此外，表面氧化还原反应（即赝电容效应）可增加储存的能量，从而形成兼具电容特性的混合机制[5][6]。这些特性使得这些材料适用于混合储能装置，在高功率需求时能与电池型电极协同工作，提供快速的能量缓冲[7]。 许多材料，如过渡金属氧化物、导电聚合物和碳基复合材料，因其电容性和赝电容性储能性能而被广泛研究[8][9][10]。五氧化二铌（Nb?O?）因其多种氧化态、高电容性和强表面氧化还原活性而受到研究人员的关注[11]。尽管Nb?O?具有良好的电化学性能和稳定性，但其实际应用受到低电导率和离子扩散速度慢的限制[12]。要充分发挥其在超级电容器和混合储能中的应用潜力，必须克服这些限制。功能性材料的合理设计和结构工程对其稳定性和整体性能的提升至关重要[13]。通过异质结构形成和表面涂层等方法可以改善材料的结构稳定性和功能性能[14]。原位生成纳米结构也被广泛用于增强先进材料的界面相互作用和功能性能[15]。集成多种电荷转移过程也是实现高效离子-电子传输的有效途径[16]。最近还开发了基于数据驱动的方法来分析设备退化并预测储能系统的可靠性[17]。因此，纳米复合材料因其可调性质和广泛的技术应用前景而受到越来越多的关注[18]。 碳功能化已成为提升金属氧化物电化学性能的有效方法。将碳引入金属氧化物可提高其电导率并增加表面积，从而形成更多活性位点，促进电子和离子的快速传输，并生成额外的表面氧化还原中心[19][20]。已有多种合成方法（如水热处理、溶胶-凝胶法和碳涂层技术）用于将碳与金属氧化物纳米结构结合，以改善其电化学性能。碳功能化显著提升了纳米结构的电导率和结构稳定性[21]。 本研究系统地研究了碳功能化的Nb?O?纳米结构在先进储能中的应用。通过测量比电容、能量密度、功率密度及长期循环稳定性，评估了材料组成和结构对其电化学性能的影响。制备的C@Nb?O?电极在1 A g?1电流密度下实现了125.8 F g?1的比电容，同时表现出良好的倍率性能和循环稳定性，显示出其在高性能储能应用中的潜力。本研究的创新之处在于，碳功能化的Nb?O?具有优异的循环稳定性，这与以往的研究结果不同，这归因于其高表面积和富含缺陷的碳修饰结构。电化学分析表明，在低扫描速率下主要发生混合电荷储存（以扩散为主），而在高扫描速率下则以电容效应为主。此外，通过组装全电池装置验证了其实际应用性，展示了良好的电化学性能和长期稳定性。这些发现为Nb?O?基电极的电荷储存机制提供了见解，并有助于设计高性能的电容性和混合储能材料。

C@Nb?O?纳米结构的合成

C@Nb?O?纳米颗粒是通过将5 mmol的五氧化二铌(V)草酸铵水合物溶解在30 mL去离子水中并在恒磁搅拌下制备的。随后向透明溶液中加入过氧化氢（Loba Chemie），摩尔比为10:1（H?O?:Nb），形成黄色的铌过氧化物复合物。碳前驱体葡萄糖（1 g）先溶解在20 mL去离子水中，再加入反应混合物中。

X射线衍射研究

通过X射线衍射（XRD）分析（图1）研究了合成C@Nb?O?材料的晶体结构和相纯度。衍射峰对应于(001)、(100)、(250)、(101)、(460)、(002)、(370)、(110)、(102)、(381)、(2160)、(201)、(112)和(3122)晶面，这些晶面属于正交晶系的Nb?O?，符合JCPDS卡片编号30–0873的描述[22]。这些衍射峰出现在2θ值22.5°、28.3°、32.6°、36.4°、42.5°、46.2°等位置。

结论

本研究通过水热法合成了碳功能化的五氧化二铌纳米结构（C@Nb?O?）。结构分析表明，碳功能化后正交晶系的Nb?O?框架保持完整，同时碳的引入提高了电导率和表面特性。氮吸附-脱附实验显示其比表面积为260.6 m2 g?1。电化学研究表明，C@Nb?O?电极表现出混合型的电荷储存特性。

CRediT作者贡献声明

M. Revathi：撰写初稿、方法学设计、实验研究。 R.Biju Bennie：撰写、审稿与编辑、概念构思。 C. Joel：撰写、审稿与编辑、项目监督、概念构思。 S.Theodore David：项目管理、数据分析。 S. AlFaify：资源协调、资金争取、数据分析。 Mohd Shkir：结果验证、资源协调、资金争取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢 作者感谢圣约翰学院化学系提供的实验设施。KKU的作者们还感谢King Khalid大学研究生院和研究部通过RGP2/626/46号资助项目提供的支持。同时，作者感谢Pollachi的Mahalingam工程学院材料研究实验室在电化学研究方面的协助。