Prestazioni elettrochimiche potenziate del bruco magnetico

Jul 08, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7822 (2023) Citare questo articolo

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Le nanofibre porose MgFe2O4 (Mg0.5Ni0.5Fe2O4) incorporate con nichel sono state sintetizzate utilizzando il metodo di elettrofilatura sol-gel. Il bandgap ottico, i parametri magnetici e i comportamenti capacitivi elettrochimici del campione preparato sono stati confrontati con MgFe2O4 e NiFe2O4 elettrofilati incontaminati in base alle proprietà strutturali e morfologiche. L'analisi XRD ha confermato la struttura cubica dello spinello dei campioni e la dimensione dei cristalliti è stata valutata inferiore a 25 nm utilizzando l'equazione di Williamson-Hall. Le immagini FESEM hanno dimostrato interessanti nanonastri, nanotubi e fibre simili a bruco per MgFe2O4, NiFe2O4 e Mg0.5Ni0.5Fe2O4 elettrofilati, rispettivamente. La spettroscopia di riflettanza diffusa ha rivelato che le nanofibre porose Mg0.5Ni0.5Fe2O4 possiedono il gap di banda (1,85 eV) tra il valore calcolato per le nanocinghie MgFe2O4 e i nanotubi NiFe2O4 a causa degli effetti di lega. L'analisi VSM ha rivelato che la magnetizzazione di saturazione e la coercività delle nanonastri MgFe2O4 sono state migliorate dall'incorporazione di Ni2+. Le proprietà elettrochimiche dei campioni rivestiti su schiuma di nichel (NF) sono state testate mediante analisi CV, GCD ed EIS in un elettrolita KOH 3 M. L'elettrodo Mg0.5Ni0.5Fe2O4@Ni ha rivelato la capacità specifica più alta di 647 F g−1 a 1 A g−1 a causa degli effetti sinergici di stati di valenza multipli, morfologia porosa eccezionale e resistenza al trasferimento di carica più bassa. Le fibre porose Mg0.5Ni0.5Fe2O4 hanno mostrato una ritenzione di capacità superiore del 91% dopo 3000 cicli a 10 A g−1 e una notevole efficienza Coulombiana del 97%. Inoltre, il supercondensatore asimmetrico Mg0.5Ni0.5Fe2O4//Carbone attivo ha rivelato una buona densità di energia di 83 W h Kg−1 con una densità di potenza di 700 W Kg−1.

La sempre crescente domanda mondiale di energia sta sollecitando lo sviluppo di dispositivi e materiali di accumulo dell'energia con una capacità specifica impressionante e un'eccellente stabilità del ciclo, come i supercondensatori1. Le nanofibre unidimensionali (1D) che forniscono numerosi siti attivi per l'assorbimento degli ioni sono potenzialmente una delle migliori opzioni come elettrodo di accumulo di energia grazie alle loro magnifiche morfologie1,2. L'elettrofilatura è un metodo efficiente, economico, controllabile in diametro, conveniente e rapido per fabbricare diversi tipi di nanostrutture unidimensionali come nanofibre, nanonastri e nanotubi con prestazioni distinte come eccellente stabilità ciclica, notevole capacità e adeguata conduttività ionica . Vari criteri, come i parametri della soluzione (precursori, viscosità e solvente), portata, tensione applicata, velocità di riscaldamento e temperatura, hanno un'influenza significativa sulla morfologia delle nanostrutture elettrofilate3. Le ferriti di spinello metallico, generalmente note come MFe2O4 (M: uno ione metallico bivalente), che gli ioni M e Fe possono localizzare sia in posizione tetraedrica che ottaedrica in uno stretto impaccamento cubico di ossigeno, hanno attirato l'attenzione diffusa negli ultimi anni grazie alla loro semplicità di sintesi, elevata conduttività elettrica, basse perdite elettriche e tossicità intrinseca, stabilità fisica e chimica, natura magnetica ed elettrochimica spontanea con conseguenti applicazioni in diversi campi della tecnologia4,5. In precedenza, il comportamento supercapacitivo delle nanofibre C/CuFe2O46, Fe2O3@SnO27 e ZnOFe2O48 è stato ampiamente studiato.

La ferrite di magnesio (MgFe2O4), che possiede un gap di banda di 2,18 eV, è un noto materiale semiconduttore di tipo n utilizzato principalmente come assorbitore di microonde e batterie agli ioni di litio a causa della moderata magnetizzazione di saturazione e dell'elevata stabilità chimica9,10,11. La ferrite di nichel (NiFe2O4) è un semiconduttore di tipo n, avente bassa coercività ed elevata resistività elettrica12. Sia MgFe2O4 che NiFe2O4 possiedono strutture di spinello inverso cubico. Nella struttura dello spinello inverso, un catione bivalente (Mg2+, Ni2+) occupa metà della coordinazione dei siti B ottaedrici e un catione trivalente (Fe3+) si localizza nei siti A tetraedrici così come metà dei siti B ottaedrici4,13,14, 15,16,17.