Curcuma longa экстрактынын жардамы менен жашыл ыкмада синтезделген шпинелдүү MnFe₂O₄ — марганец жана темир камтыган феррит нанобөлүкчө электроддук материал. Бул изилдөөдө MnFe₂O₄ нанобөлүкчөлөрү куркуманын илимий аталышы болгон Curcuma longa ризома экстракты табигый калыбына келтирүүчү жана турукташтыруучу чөйрө катары колдонулган жашыл кошо чөктүрүү ыкмасы менен алынган; кристалл түзүлүшү, беттик аянты, көңдөйлүүлүгү, морфологиясы, элементтердин бөлүштүрүлүшү жана электрохимиялык энергия сактоо жүрүм-туруму эксперименттик түрдө изилденген.

Рентген нурларынын дифракциясы (XRD) орточо кристаллит өлчөмүн 19,9 nm деп көрсөтүп, мүнөздүү шпинелдүү MnFe₂O₄ фазасын тастыктаган. Raman спектроскопиясы шпинелдүү ферритке күтүлгөн термелүү модаларын колдогон. BET өлчөөлөрүндө Curcuma longa экстракты колдонулган үлгү үчүн 2-таблицада 68,5 ± 1,1 m²/g беттик аянт жана 8,7 ± 0,2 nm орточо көңдөй өлчөмү; экстракты жок үлгү үчүн 54,8 ± 1,3 m²/g жана 7,9 ± 0,3 nm кабарланган. SEM сүрөттөрүндө көңдөйлүү, өз ара байланышкан жана түстүү капустага окшош агломераттар көрүнгөн; EDX анализинде Mn, Fe жана O элементтери бир тектүү бөлүштүрүлгөнү билдирилген.

Үч электроддуу 1 M KOH эксперименттик түзүлүшүндө жашыл ыкмада синтезделген MnFe₂O₄ электрод 0,8 A/g ток тыгыздыгында 295 F/g менчик сыйымдуулук берген. Ток тыгыздыгы 2,0 A/g ге көтөрүлгөндө менчик сыйымдуулук 68 F/g ге төмөндөгөн. Ушул эле жашыл экстракт колдонулбай даярдалган салыштыруу үлгүсү булактын 8d-сүрөтүндө 0,8 A/g де 114 F/g жана 2,0 A/g де 42 F/g көрсөткөн. Бул салыштыруу изилдөөнүн сыноо шарттарында Curcuma longa жардамы менен синтезделген үлгү жогорураак заряд сактоо жөндөмүн көрсөткөнүн айгинелейт; бирок изилдөө бул айырма үчүн статистикалык маанилүүлүк тестин билдирген эмес.

Жашыл ыкмада синтезделген MnFe₂O₄ электрод 0,8 A/g шартында 5000 гальваностатикалык заряддоо-разряддоо циклинен кийин баштапкы сыйымдуулугунун болжол менен %87,3 бөлүгүн сактап калган. Электрохимиялык импеданс спектроскопиясында (EIS) үч электроддуу электроддун заряд өткөрүү каршылыгы \(R_{ct}\) циклге чейин 3,19 Ω болсо, циклден кийин 2,76 Ω га төмөндөгөн. Булак бул өзгөрүүнү электрод-электролит интерфейсиндеги заряд өткөрүүнүн жакшырышы менен байланыштырат.

Изилдөө жарым клеткага окшош үч электроддуу мүнөздөмө менен гана чектелбестен, MnFe₂O₄/Ni көбүк оң электрод жана активдештирилген көмүр/Ni көбүк терс электроддон турган эки электроддуу асимметриялык суперконденсатор да даярдаган. Бул түзмөк 0,8 A/g де 79 F/g менчик сыйымдуулук көрсөткөн; эң жогорку билдирилген энергия тыгыздыгы 640 W/kg кубат тыгыздыгында 28,24 Wh/kg, ал эми 1600 W/kg кубат тыгыздыгында энергия тыгыздыгы 12,89 Wh/kg болгон.

Бул натыйжаларды чечмелөөнүн чеги маанилүү. 295 F/g жана %87,3 циклдик сакталуу мааниси түздөн-түз эки электроддуу акыркы түзмөктүн көрсөткүчү эмес; ал үч электроддуу MnFe₂O₄ электрод өлчөөсүнө таандык. Мындан тышкары, изилдөө лабораториялык масштабда жүргүзүлгөн. Өндүрүштү масштабдоо, жашоо циклин баалоо, чыгым анализи же коммерциялык суперконденсатор модулунда узак мөөнөттүү ишенимдүүлүк сыноосу жүргүзүлгөн эмес. Демек, “жашыл” деген сөз айрыкча өсүмдүк экстрактынын жардамы менен синтездөө ыкмасын билдирет; бүтүндөй өндүрүш чынжырынын сандык түрдө төмөн экологиялык таасирге ээ экени жашоо цикли анализи менен далилденди дегенди билдирбейт.

MnFe₂O₄ Нанобөлүкчөлөрү Эмне Үчүн Суперконденсатор Электроду катары Изилденүүдө?

Шпинелдүү MnFe₂O₄ — Mn жана Fe иондору бир нече кычкылдануу абалына катыша алган, кайтарым Faradaic redox реакциялары аркылуу заряд сактай алган өтмө металл феррити; бул изилдөө MnFe₂O₄түн ушул redox активдүүлүгүн жогорку беттик аянт жана көңдөйлүү нанотүзүлүш менен айкалыштырып, суперконденсатор электроду катары баалайт.

Суперконденсатор эмнени сактайт?

Суперконденсатор электр энергиясын электрод-электролит интерфейсинде заряд топтоо аркылуу сактайт. Идеал электр кош катмарлуу конденсаторлордо сактоо негизинен электростатикалык заряд бөлүнүүсүнө таянса, псевдокапаситивдүү материалдарда тез жана кайтарым беттик же бетке жакын redox реакциялары да заряд сактоого салым кошот.

Бул изилдөөдөгү MnFe₂O₄ электродунун CV ийри сызыктарында ачык аноддук жана катоддук чокулардын көрүнүшү сактоо идеал кош катмарлуу механизмге гана таянбаганын көрсөтөт. Булак бул жүрүм-турумду Mn²⁺/Mn³⁺ жана Fe²⁺/Fe³⁺ кычкылдануу-калыбына келүү өтүүлөрү менен байланыштырат.

Шпинелдүү түзүлүш деген эмне?

Шпинелдүү феррит жалпысынан металл катиондору кычкылтек иондору түзгөн кристалл торчодогу ар кандай координациялык орундарга жайгашкан феррит түзүлүшүн билдирет. Изилдөөдөгү XRD жана Raman анализдеринин негизги максаты синтезделген продукт күтүлгөн MnFe₂O₄ шпинелдүү түзүлүшүнө ээ же ээ эмес экенин текшерүү болгон.

XRD үлгүсүндө булак тарабынан (111), (220), (311), (222), (400), (422), (511), (440), (531), (620), (533), (622) жана (444) кристалл тегиздиктери ыйгарылган. Эң жогорку интенсивдүүлүк (311) тегиздигинде байкалган. Авторлор кошумча бөтөн фазалык чокуларды байкабагандарын жана үлгүнү JCPDS 10-0319 картасына шайкеш деп баалашканын билдиришет.

Curcuma longa Экстракты Синтезде Кандай Милдет Аткарат?

Curcuma longa экстракты бул изилдөөдө MnFe₂O₄ синтез чөйрөсүнө фенолдук жана башка фитохимиялык функционалдык топторду берген табигый калыбына келтирүүчү жана турукташтыруучу компонент катары колдонулат; авторлор бул компоненттер ядролонууга, бөлүкчө өсүшүнө, беттик химияга жана агломерацияны жөнгө салууга салым кошот деп сунушташат.

Өсүмдүк экстракты кантип даярдалган?

Булактын ыкмасына ылайык, 19 g майда тууралган жаңы Curcuma longa ризомасы 100 mL дистилденген сууда 30-40 мүнөт кайнатылып, андан кийин сүзүлүп тунук экстракт алынган. Бул экстракттын 60 mL бөлүгү MnFe₂O₄ синтез реакциясынын чөйрөсү катары колдонулган.

0,3 M Mn(NO₃)₂·4H₂O жана 0,6 M Fe(NO₃)₃·9H₂O эритмелери өзүнчө даярдалып экстрактка кошулган. Mn/Fe катышы 1:2 деңгээлинде сакталган. Реакция аралашмасы 100 °C де үч саат үзгүлтүксүз аралаштырылган.

Андан кийин 1 M NaOH эритмеси акырындык менен кошулуп, pH болжол менен 11 ге жеткенде кара чөкмө пайда болгон. Булак pH маанисин “near 11” деп берет; андан так акыркы pH маанисин билдирбейт.

Чөкмө 5000 rpm де центрифугаланып, таза суу жана этанол менен бир нече жолу жуулуп, 50 °C де 96 саат кургатылган. Булак центрифугалоо убактысын жана так жуу санын билдирбейт.

Кургатылган продукт андан кийин 5 °C/dak ысытуу ылдамдыгы менен 500 °C ге чейин ысытылып, 500 °C де беш саат күйдүрүлгөн. Күйдүрүүдөн кийин продукт келсапта майдаланып MnFe₂O₄ майда порошогу алынган.

Электрод кантип даярдалды?

MnFe₂O₄ активдүү материалы, өткөргүч көмүр карасы жана PVDF байланыштыргыч 80:10:10 массалык катышта аралаштырылган. Аралашма ылайыктуу өлчөмдөгү N-метил-2-пирролидон (NMP) колдонуу менен бир тектүү шламга айландырылган. Булак NMPнин так көлөмүн билдирбейт.

Ток чогулткуч катары 1 × 1 cm² никель көбүк колдонулган. Никель көбүк этанол, дистилденген суу жана ацетон менен ультрадыбыш аркылуу тазаланып, даярдалган шлам бетине капталган жана активдүү материалдын жүктөлүшү болжол менен 3,3 mg/cm² болуп жөндөлгөн. Капталган электрод 60 °C де 12 саат кургатылган.

Debye-Scherrer Теңдемеси Бул Изилдөөдө Эмнени Эсептейт?

Debye-Scherrer теңдемеси XRD чокуларынын туурасынан когеренттүү кристалл аймактардын болжолдуу орточо өлчөмүн эсептөө үчүн колдонулуп, изилдөө MnFe₂O₄ үчүн 19,9 nm орточо кристаллит өлчөмүн билдирген; бул маани SEMдеги болжол менен 36,2 µm агломерат өлчөмү менен бирдей физикалык чоңдук эмес.

XRD эксперименттик шарты

XRD өлчөөсү PANalytical X'Pert PRO дифрактометри менен Cu Kα нурун колдонуу аркылуу жүргүзүлгөн. Булак нурдун толкун узундугун \(\lambda=1.5406\,Å\) деп берет.

Кристаллит өлчөмү үчүн Теңдеме (1):

\[ D=\frac{0.9\lambda}{\beta\cos\theta} \tag{1} \]

Формула эмнени эсептейт? XRD чокуларынын кеңейишине негизделген болжолдуу орточо кристаллит өлчөмүн \(D\) эсептейт.

Өзгөрмөлөр: \(D\) кристаллит өлчөмү; \(\lambda\) колдонулган рентген нурунун толкун узундугу; \(\beta\) дифракция чокусунун туурасы; \(\theta\) Bragg бурчу. Булак \(\lambda=1.5406\,Å\) маанисин ачык берет. Макала \(\beta\) эсептөө/оңдоо процедурасын майда-чүйдөсүнө чейин түшүндүрбөйт.

Дислокация сызыгынын тыгыздыгы үчүн Теңдеме (2):

\[ DLD=\frac{1}{D^2} \tag{2} \]

Бул теңдемеде кристаллит өлчөмү кичирейген сайын эсептелген дислокация сызыгынын тыгыздыгы өсөт. Изилдөө MnFe₂O₄ үчүн \(2.52\times10^{15}\) lines/m² маанисин билдирет.

Кристалл тегиздиктеринин аралык аралыгы үчүн колдонулган Bragg байланышы Теңдеме (3):

\[ d=\frac{n\lambda}{2\sin\theta} \tag{3} \]

Бул жерде \(d\) кристалл тегиздиктеринин аралыгы, \(n\) дифракция тартиби, \(\lambda\) рентген нурунун толкун узундугу жана \(\theta\) Bragg бурчу. Булак орточо \(d\)-spacing маанисин 2,56 Å деп берет.

19,9 nm менен болжол менен 36,2 µm эмне үчүн бири-биринен абдан айырмаланат?

Булак бул айырманы ачык түшүндүрөт. XRDдеги 19,9 nm мааниси өзүнчө когеренттүү кристаллит аймактарынын мүнөздүү өлчөмү. SEM гистограммасындагы болжол менен 36,2 µm болсо көптөгөн нанокристаллиттер биригип түзгөн чоңураак агломерат топторунун өлчөмүнө байланыштуу. Ошондуктан эки сан бир эле объектти өлчөбөйт жана бири-бирине түздөн-түз карама-каршы келбейт.

Raman анализи эмнени көрсөттү?

Raman спектринде болжол менен 219, 334, 469, 580 жана 688 cm⁻¹ тилкелери билдирилип, тиешелүүлүгүнө жараша T_2g(1), E_g, T_2g(3), T_2g(2) жана A_1g шпинелдүү феррит термелүү модаларына ыйгарылган.

Булак ошондой эле болжол менен 284 жана 385 cm⁻¹ аймагындагы алсыз кошумча тилкелерди эскерип, аларды кемчиликтен келип чыккан термелүүлөр, жергиликтүү катиондук тартипсиздик, наномасштабдагы симметрия бузулушу же фонон модаларынын аралашуусу менен байланыштырат. Бул түшүндүрмө авторлордун спектралдык чечмелөөсү; изилдөө бул мүмкүнчүлүктөрдү өзүнчө эксперименттер менен бири-биринен ажыратпайт.

BET анализи эмнени өлчөдү?

BET анализи газ адсорбциясы аркылуу материалдын жеткиликтүү менчик беттик аянтын баалоо үчүн колдонулган. Эки үлгүдө тең булак Tip-IV адсорбция-десорбция изотермасын жана мезокөңдөйлүү мүнөздү билдирген.

Булак ичиндеги дал келбестик: BET натыйжаларын түшүндүргөн абзац беттик аянттын стандарттык четтөөлөрүн 68,5 ± 1,3 жана 54,8 ± 1,1; экстракты жок үлгүнүн көңдөй өлчөмүн болсо 7,9 ± 0,2 деп жазат. “mean ± SD, n=3” деп ачык белгиленген 2-таблица болсо жогорудагы маанилерди берет. Verianla маалымат таблицасында 2-таблицанын маанилери сакталган; абзацтагы айырма жашырылган эмес.

FTIR анализи эмне үчүн MnFe₂O₄кө гана эмес, өсүмдүк экстрактына да жасалган?

FTIR спектри Curcuma longa экстрактындагы функционалдык топторду баалоо максатында берилген. Булак 3416 cm⁻¹ тилкесин фенолдук O-H созулушуна, 2925 жана 2861 cm⁻¹ тилкелерин алифаттык C-H созулууларына байланыштырат.

1639, 1513, 1423, 1313, 1192, 1053, 873 жана 612 cm⁻¹ аймактарындагы тилкелер C=O/C=C, ароматтык шакек, C-N/C-O жана C-O термелүүлөрү менен байланыштырылган. Авторлор бул фитохимиялык функционалдык топтор синтез учурунда табигый калыбына келтирүүчү жана турукташтыруучу функцияга салым кошот деп чечмелешет.

SEM морфологиясы эмнени көрсөттү?

SEM сүрөттөрү MnFe₂O₄ катуу агломерацияланган, бирок өз ара байланышкан, данекче түрүндөгү жана “түстүү капустага окшош” топторду түзгөнүн көрсөтөт. Жогорку чоңойтууда топтор квази-сфералык баштапкы нанобөлүкчөлөрдөн турганы жана бөлүкчөлөр арасында боштуктар бар экени көрүнгөн.

3D беттик топография жогорку оройлукту, бирдей эмес бийиктик бөлүштүрүлүшүн жана терең чуңкурларды көрсөтөт. Булак бул көңдөйлүү жана орой түзүлүштү электролиттин бетке жетүүсүн, ион диффузия жолдорун жана электрохимиялык активдүү беттердин санын көбөйтө ала турган өзгөчөлүк катары чечмелейт.

EDX натыйжалары эмне дейт?

Булак EDX спектринде Mn, Fe жана Oдон башка кошумча элемент чокулары көрүнбөгөнүн жана карталоодо бул үч элемент үлгү боюнча бир тектүү бөлүштүрүлгөнүн билдирет. EDX анализи бул жерде элементтик курам жана мейкиндиктик бөлүштүрүүнүн далили; кристалл фазасын аныктоо негизинен XRD менен жүргүзүлгөн.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Үч электроддуу электрохимиялык түзүлүш

CVдеги b-Маани жана Dunn Анализи Эмнени Көрсөтөт?

Булак \(i=av^b\) даража мыйзамын жана Dunn ажыратуусун колдонуп, MnFe₂O₄түн заряд сактоосунда диффузия менен башкарылган да, бет менен башкарылган да процесстер бар экенин; b-мааниси болжол менен 0,54-0,55 болгондуктан диффузиянын салымы маанилүү экенин, сканерлөө ылдамдыгы жогорулаган сайын эсептелген сыйымдуулук салымы өскөнүн чечмелейт.

CV ийри сызыктары кантип чечмеленди?

CV, башкача айтканда циклдик вольтамметрия, потенциал көзөмөлдөнгөн түрдө сканерленип жатканда электроддон өткөн токту өлчөө. MnFe₂O₄ CV ийри сызыктарында ачык кычкылдануу жана калыбына келүү чокулары көрүнгөн жана булак муну Faradaic redox реакцияларынын көрсөткүчү катары баалаган.

Сканерлөө ылдамдыгы \(v\) менен чоку тогу \(i\) ортосунда булакта колдонулган даража мыйзамы:

\[ i=a v^b \]

Бул байланышта \(a\) пропорционалдуулук туруктуусу, \(v\) сканерлөө ылдамдыгы жана \(b\) заряд сактоо кинетикасынын мүнөзүн чечмелөө үчүн колдонулган көрсөткүч. Булакта log(i)-log(v) графигинин жантайышы 7b-сүрөттө b=0,54, түшүндүрмө текстте болсо болжол менен 0,55 деп берилген; сызыктуу ылайыкташуу үчүн \(R^2=0.96\) билдирилген.

Макала колдонгон чечмелөө алкагында b мааниси 0,5ке жакындаган сайын диффузия менен башкарылган процесстердин, 1ге жакындаган сайын беттик/сыйымдуулук процесстеринин үстөмдүгү өсөт. Ошондуктан булак MnFe₂O₄ эки механизм бирге болгон гибриддик сактоо жүрүм-турумун көрсөтөрүн жана диффузиянын салымы маанилүү экенин билдирет.

Dunn теңдемеси

Теңдеме (4):

\[ i(V)=k_1v+k_2v^{1/2} \tag{4} \]

Формула эмнени бөлөт? Белгилүү потенциалда өлчөнгөн жалпы токту сканерлөө ылдамдыгы менен сызыктуу масштабдалган беттик/сыйымдуулук салымы жана \(v^{1/2}\) менен масштабдалган диффузия башкарган салым катары эки компонентке бөлөт.

\(k_1v\) булакта сыйымдуулук процесстерин, \(k_2v^{1/2}\) болсо диффузия башкарган салымды билдирет. Булак Dunn сызыктуу ылайыкташуусу үчүн \(R^2=0.98\) берет.

Сүрөттөгү пайыздар тегеректелген белгилер жана айрым саптарда эки салымдын суммасы так %100 болбошу мүмкүн. Булактын негизги тенденциясы ачык: сканерлөө ылдамдыгы өскөн сайын эсептелген сыйымдуулук салымы жогорулайт, диффузия салымы төмөндөйт.

Tafel анализи

Булак 7c-сүрөттөгү Tafel баалоосунда болжол менен \(n\approx4\) деген билдирүүнү колдонот жана муну ылдамдыкты чектөөчү баскычтагы көп электрондуу өткөрүү процессинин белгиси катары чечмелейт.

Бирок макала бул \(n\) мааниси Tafel жантайышынан кайсы так теңдеме жана параметрлер менен эсептелгенин көрсөтпөйт. Ошондуктан Verianla \(n\approx4\) маанисин булакта билдирилген автордук чечмелөө катары сактап, кошумча көз карандысыз электрон санынын эсебин чыгарбайт.

Булакта сунушталган redox реакциялары

Макала KOH электролитиндеги MnFe₂O₄ реакцияларын төмөнкү схемалык теңдемелер менен берет:

Заряддоо учурунда:

\[ MnFe_2O_4+OH^- \rightleftharpoons MnOOH+FeOOH+e^- \]

\[ MnOOH+OH^- \rightleftharpoons MnO_2+H_2O+e^- \]

\[ FeOOH+OH^- \rightleftharpoons FeO_2+H_2O+e^- \]

Разряддоо учурунда булакта тескери багытта берилген реакциялар:

\[ MnO_2+H_2O+e^- \rightleftharpoons MnOOH+OH^- \]

\[ FeO_2+H_2O+e^- \rightleftharpoons FeOOH+OH^- \]

Булакта берилген жалпы реакция:

\[ MnFe_2O_4+OH^- \rightleftharpoons MnO_2+FeO_2+H_2O+e^- \]

Бул теңдемелер макала электрохимиялык механизмди түшүндүрүү үчүн колдонгон реакция схемалары; изилдөө аралык түрлөрдү operando спектроскопия менен өз-өзүнчө ырастаган механизм экспериментин билдирбейт.

GCD деген эмне?

Гальваностатикалык заряддоо-разряддоо (GCD) — электродду туруктуу ток астында заряддап жана разряддап потенциал-убакыт жүрүм-турумун өлчөө. Булак MnFe₂O₄ ийри сызыктарын сызыктуу эмес жана асимметриялуу, ачык потенциал плато аймактары бар деп сүрөттөп, муну Faradaic redox реакцияларынын жана “battery-like” жүрүм-турумдун көрсөткүчү катары чечмелейт.

Бул билдирүү CV бөлүмүндөгү “псевдокапаситивдүү” аныктама менен бирге окулушу керек. Булак электрод идеал кош катмарлуу конденсатор сыяктуу жүрбөсүн; бет менен башкарылган жана диффузия/redox менен башкарылган процесстер чогуу болгон аралаш заряд сактоо жүрүм-турумун көрсөтөрүн белгилейт.

Менчик сыйымдуулук формуласы

Теңдеме (5):

\[ C_{sp}=\frac{I_d t_d}{m(v_2-v_1)} \tag{5} \]

Формула эмнени эсептейт? Активдүү материалдын массасына туура келген сакталган зарядды GCD разряддоо убактысынан чыгарып, менчик сыйымдуулук \(C_{sp}\) катары эсептейт.

Өзгөрмөлөр: \(I_d\) разряд тогу, \(t_d\) разряд убактысы, \(m\) никель көбүктөгү активдүү материалдын массасы, \(v_2-v_1\) колдонулган потенциал терезеси. Изилдөө менчик сыйымдуулукту F/g менен берет.

Энергия тыгыздыгынын формуласы

Теңдеме (6):

\[ E_d=\frac{C_{sp}\Delta V^2}{7.2} \tag{6} \]

Бул жерде \(E_d\) энергия тыгыздыгы, \(C_{sp}\) менчик сыйымдуулук жана \(\Delta V\) потенциал терезеси. Булак энергия тыгыздыгын Wh/kg менен билдирет. Теңдемедеги 7,2 коэффициенти колдонулган сыйымдуулук жана энергия бирдиктеринин ортосундагы айландыруунун бир бөлүгү.

Кубат тыгыздыгынын формуласы

Теңдеме (7):

\[ P_d=\frac{E\times3600}{t_d} \tag{7} \]

\(P_d\) кубат тыгыздыгы, \(E\) булак теңдемесинде колдонулган энергия тыгыздыгы жана \(t_d\) разряд убактысы. 3600 коэффициенти саат-секунда айландыруусун камтыйт. Булак кубат тыгыздыгын W/kg менен берет.

Жашыл ыкмада синтезделген электроддун менчик сыйымдуулугу ток тыгыздыгы өскөн сайын 295 F/g ден 68 F/g ге төмөндөйт. Булактын түшүндүрмөсү боюнча, жогорку токто иондордун активдүү материалдын бардык аймактарына жетиши үчүн убакыт аз болуп, активдүү борборлорду пайдалануу чектелет.

Экстракты жок үлгүнүн 1,2 A/g де 82 F/g, 1,4 A/g де 85 F/g көрсөтүшү кичине монотондуу эмес өзгөрүү жана булак сүрөтүндө ушундай белгиленген. Verianla маанилерди “жылмакайыраак” көрүнүш үчүн өзгөрткөн эмес.

Үч электроддуу Ragone натыйжасы

Булак үч электроддуу MnFe₂O₄ электрод үчүн эң жогорку энергия тыгыздыгын 5,91 Wh/kg, ага ылайык кубат тыгыздыгын 152 W/kg деп билдирет. 8b-сүрөттөгү жогорку кубат тарабында болжол менен 1,37 Wh/kg энергия тыгыздыгы 380 W/kg кубат тыгыздыгы менен жупташкан.

Авторлор үч электроддуу түзүлүш активдүү материалдын ички электрохимиялык жүрүм-турумун көрсөткөнүн жана толук түзмөк деңгээлиндеги энергия тыгыздыгы менен түздөн-түз тең эмес экенин ачык белгилешет.

5000 циклдик туруктуулук

Жашыл ыкмада синтезделген MnFe₂O₄ жумушчу электрод 0,8 A/g де 5000 заряддоо-разряддоо цикли бою сыналып, цикл аягында баштапкы сыйымдуулугунун болжол менен %87,3 бөлүгүн сактап калган.

Бул пайыз үч электроддуу MnFe₂O₄ электрод үчүн билдирилген. Төмөндө сүрөттөлгөн эки электроддуу MnFe₂O₄//AC асимметриялык түзмөк үчүн булак ошол эле 5000 циклдик retention маанисин бербейт.

EIS жана Nyquist анализи

Электрохимиялык импеданс спектроскопиясы электрод-электролит системасынын жыштыкка көз каранды электр каршылыгын жана реактивдүү жүрүм-турумун баалоо үчүн колдонулган. Булак Nyquist ийри сызыгы жогорку жыштыкта жарым тегерек, төмөн жыштыкта болсо Warburg тибиндеги сызыктуу аймак көрсөтөрүн билдирет.

Эквиваленттүү схема булакта \(R(C(RW))\) түрүндө берилген. Бул жерде \(R_s\) эритме/омдук каршылык, \(R_{ct}\) заряд өткөрүү каршылыгы, \(C\) сыйымдуулук компоненти жана \(W\) ион диффузиясы менен байланышкан Warburg компоненти.

Заряд өткөрүү каршылыгынын 3,19 Ω дан 2,76 Ω га төмөндөшү булак тарабынан электрод-электролит байланышынын жана заряд өткөрүү кинетикасынын жакшырышы катары чечмеленген. \(R_s\) болсо 0,83 Ω дан 0,96 Ω га бир аз жогорулаган.

Булак ичиндеги EIS дал келбестиги: 3-таблица баштапкы \(D_{K^+}\) маанисин 4,26 × 10^-11 cm²/s деп берет, ошол эле учурда дароо жогорудагы түшүндүрмө текст 4,62 × 10^-11 cm²/s деп жазат. Акыркы маани эки жерде тең 7,41 × 10^-10 cm²/s. Verianla негизги таблицада булак 3-таблицадагы маанини сактаган.

Калий ионунун диффузия коэффициентинин формуласы

Теңдеме (8):

\[ D_{K^+}= \frac{R^2T^2} {2A^2n^4F^4C^2\sigma_w^2} \tag{8} \]

Формула эмнени эсептейт? Булактын EIS/Warburg анализинде K⁺ иондорунун электрохимиялык системадагы диффузия коэффициентин эсептөө үчүн колдонулган.

Булакта берилген өзгөрмөлөр: \(A\) электрод аянты; \(F=96\,500\ C\,mol^{-1}\) Faraday туруктуусу; \(n\) химиялык формула бирдигине реакцияга катышкан электрондордун саны; \(R=8.314\ J\,mol^{-1}K^{-1}\) газ туруктуусу; \(T=300\,K\) сыноо температурасы; \(C\) K⁺ иондорунун молярдык концентрациясы; \(\sigma_w\) болсо жыштык менен импеданстын реалдуу компоненти ортосундагы Warburg байланышын көрсөткөн коэффициент.

Булак бул эсеп үчүн колдонулган \(\sigma_w\) сандык маанисин, fit диапазонун же EISтин так жыштык чектерин таблица түрүндө билдирбейт. Ошондуктан Теңдеме (8)дин бардык аралык эсебин көз карандысыз түрдө кайра чыгаруу мүмкүн эмес.

Үч Электроддуу Натыйжа менен Эки Электроддуу Асимметриялык Суперконденсатор Натыйжасын Эмне Үчүн Өзүнчө Чечмелөө Керек?

Үч электроддуу түзүлүш бир MnFe₂O₄ жумушчу электродунун ички жүрүм-турумун референс жана каршы электроддун жардамы менен өлчөсө, эки электроддуу MnFe₂O₄//активдештирилген көмүр асимметриялык суперконденсатор оң жана терс электроддор бирге түзгөн толук клетканын жүрүм-турумун өлчөйт; ошондуктан 295 F/g электрод мааниси менен 79 F/g түзмөк мааниси бир эле көрсөткүчтүн бирдей эксперименттик шарттагы кайталануусу эмес.

Асимметриялык суперконденсатор кантип курулган?

Булак бул түзмөктү MnFe₂O₄ электродунун практикалык колдонулушун баалоо максатында даярдаган. Оң MnFe₂O₄ электродунун псевдокапаситивдүү/Faradaic жүрүм-туруму менен терс активдештирилген көмүр электродунун электр кош катмарлуу жүрүм-турумун бирге иштеткен асимметриялык түзүлүш максатталган.

Булакта түзмөктүн эң жогорку менчик сыйымдуулугу 0,8 A/g де 79 F/g, 2,0 A/g деги мааниси болсо 36 F/g деп билдирилген.

ASC Ragone натыйжалары

Ragone графиги энергия тыгыздыгы менен кубат тыгыздыгынын ортосундагы компромиссти көрсөтөт. Жогорку кубатта энергия кыска убакытта өткөрүлсө, жеткиликтүү энергия тыгыздыгы төмөндөшү мүмкүн. Изилдөөнүн ASC түзмөгүндө 28,24 Wh/kg мааниси 640 W/kg де, 12,89 Wh/kg мааниси болсо 1600 W/kg де билдирилген.

ASC түзмөгүнүн EIS натыйжасы

Эки электроддуу түзмөктүн циклден кийинки Nyquist анализинде булак:

• \(R_s=1.71\,\Omega\),
• \(R_{ct}=14.33\,\Omega\),
• \(D_{K^+}=4.48\times10^{-10}\,cm^2/s\)

маанилерин билдирген.

ASC түзмөгүнүн \(R_{ct}=14.33\,\Omega\) мааниси менен үч электроддуу электроддун циклден кийинки 2,76 Ω мааниси ар башка клетка архитектураларын жана интерфейстерди билдирет. Ошондуктан эки санды түздөн-түз “түзмөк начар/жакшы” деп өзүнчө салыштырбоо керек.

Булактагы адабият салыштыруусунда бул изилдөө кайда турат?

Бул таблица салыштыруу үчүн пайдалуу, бирок ток тыгыздыктары, электролиттер, синтез ыкмалары жана эксперименттик түзүлүштөр бардык саптарда бирдей эмес. Ошондуктан эң жогорку F/g маанисине гана карап, ыкмалардын ортосунда көзөмөлдөнгөн артыкчылык эксперименти жасалгандай чечмелөөгө болбойт.

Изилдөө түздөн-түз колдогон жыйынтыктар

• Curcuma longa жардамы менен кошо чөктүрүү ыкмасы аркылуу кристаллдык шпинелдүү MnFe₂O₄ алынган.
• XRDде орточо кристаллит өлчөмү 19,9 nm деп эсептелген.
• Raman спектри шпинелдүү феррит түзүлүшү менен байланышкан термелүү модаларын көрсөткөн.
• BET 2-таблица маанилерине ылайык экстракттуу үлгүнүн беттик аянты 68,5 ± 1,1 m²/g, экстракты жок үлгүнүн 54,8 ± 1,3 m²/g.
• SEMде көңдөйлүү жана түстүү капустага окшош агломерацияланган түзүлүш көрүнгөн.
• EDXте Mn, Fe жана O элементтери жана алардын бир тектүү бөлүштүрүлүшү билдирилген.
• Үч электроддуу MnFe₂O₄ электрод 0,8 A/g де 295 F/g менчик сыйымдуулук көрсөткөн.
• Ошол эле электрод 5000 цикл аягында болжол менен %87,3 сыйымдуулугун сактаган.
• Үч электроддуу EISте \(R_{ct}\) 3,19 Ω дан 2,76 Ω га төмөндөгөн.
• Эки электроддуу MnFe₂O₄//AC түзмөгү 0,8 A/g де 79 F/g менчик сыйымдуулук көрсөткөн.
• ASC түзмөктүн эң жогорку билдирилген энергия тыгыздыгы 28,24 Wh/kg жана бул маани 640 W/kg кубат тыгыздыгында алынган.

Изилдөө түздөн-түз колдобогон жыйынтыктар

• MnFe₂O₄ электрод коммерциялык суперконденсаторлордо ошол эле көрсөткүчтү камсыз кылары көрсөтүлгөн эмес.
• 295 F/g мааниси толук эки электроддуу түзмөктүн менчик сыйымдуулугу эмес.
• %87,3 / 5000 цикл натыйжасы MnFe₂O₄//AC асимметриялык түзмөк үчүн билдирилген эмес.
• Curcuma longa синтези бүтүндөй өндүрүш жашоо циклинде классикалык ыкмалардан төмөн экологиялык таасирге ээ экени жашоо цикли анализи менен көрсөтүлгөн эмес.
• Өнөр жай масштабдоо, чоң аянттуу электрод өндүрүшү же сериялык өндүрүш натыйжалуулугу сыналган эмес.
• Узак мөөнөттүү коммерциялык түзмөк коопсуздугу, температура циклдери же механикалык туруктуулук бааланган эмес.
• BET, GCD жана башка салыштыруулар үчүн жалпы статистикалык маанилүүлүк анализи билдирилген эмес.
• Булакта берилген redox реакцияларындагы аралык түрлөр operando ыкмалар менен өз-өзүнчө тастыкталган эмес.
• Tafel бөлүмүндөгү \(n\approx4\) натыйжасынын ачык эсептөө теңдемеси макалада көрсөтүлгөн эмес.

Кайра өндүрүү мүмкүнчүлүгү жагынан толук эмес билдирилген деталдар

Булак кыйла деталдуу синтез жана электрод даярдоо протоколун бергени менен, айрым параметрлерди ачык калтырган. NMP эриткичинин так көлөмү “appropriate amount” деп берилген; центрифугалоо убактысы көрсөтүлгөн эмес; жуу саны “several times” деп калтырылган; EIS өлчөөсүнүн так жыштык диапазону билдирилген эмес; EIS диффузия коэффициентин эсептөөдө колдонулган \(\sigma_w\) жана башка аралык fit маанилери таблица түрүндө берилген эмес.

Бул кемчиликтер ыкманын жалпы логикасын жокко чыгарбайт, бирок натыйжаларды башка лабораторияда дал ошол эле процедура менен кайра эсептөөнү кыйындатышы мүмкүн.

Келечектеги изилдөө багыты

Авторлор изилдөөнүн уландысында гибриддик системалар, массалык өндүрүш/масштабдоо жана чыныгы түзмөктөргө интеграцияга көңүл бурууга болорун билдиришет. Азыркы макалада лабораториялык масштабда эки электроддуу асимметриялык түзмөк түзүлгөнү менен, бул сериялык өндүрүшкө даяр коммерциялык суперконденсатор модулу же өнөр жай процессинин ырастоосу эмес.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түпнуска аталыш: Spinel MnFe2O4 nanoparticles with improved surface area and charge transfer characteristics for next-generation supercapacitors

Авторлор жана ирети: Ali Mujtaba; A. F. A. Kadir; Aqsa Saeed; Mohamed Bouzidi; Ghada Ragheb Elnaggar; H. Khan; Faisal Alresheedi.

Жооптуу автор: H. Khan.

Мекеме 1: International Center for Interdisciplinary Research in Science (ICIRS), The University of Lahore, Lahore 54000, Pakistan.

Мекеме 2: Faculty of Electrical Technology and Engineering, Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Melaka, Malaysia.

Мекеме 3: Department of Chemistry, University of Sahiwal, Sahiwal 57000, Pakistan.

Мекеме 4: Department of Physics, College of Science, University of Ha’il, P.O. Box 2440, Ha’il, Saudi Arabia.

Мекеме 5: Department of Industrial and Systems Engineering, College of Engineering, Princess Nourah bint Abdulrahman University, P.O. Box 84428, Riyadh 11671, Saudi Arabia.

Мекеме 6: Department of Chemistry, University of Somalia, Mogadishu, Banaadir, Somalia.

Мекеме 7: Department of Physics, College of Science, Qassim University, Buraidah 51452, Saudi Arabia.

Журнал: Journal of Sol-Gel Science and Technology.

Басма: Springer Nature.

Том / макала номери: Volume 120, Article 5 (2026). Булактагы “120:5” билдирүүсүндөгү 5 — макала номери; PDF ички бет номери эмес.

DOI: 10.1007/s10971-026-07250-9

Келип түшкөн дата: 18 Июнь 2026.

Кабыл алынган дата: 15 Сентябрь 2026.

Онлайн жарыяланган дата: Расмий Springer Nature жазуусуна ылайык 8 Октябрь 2026.

Булак түрү: Original Paper; эксперименттик нанобөлүкчө синтези, физикалык/химиялык мүнөздөмө жана электрохимиялык энергия сактоо изилдөөсү.

Рецензия статусу: Жарыяланган Springer Nature журнал макаласы / version of record.

Лицензия: Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).

Каржылоо: Princess Nourah bint Abdulrahman University researchers supporting project number PNURSP2026R914 колдоосу билдирилген.

Автордук салымдар: Ali Mujtaba: writing-review & editing, investigation; A. F. A. Kadir: supervision; Aqsa Saeed: writing-original draft; Mohamed Bouzidi: formal analysis; Ghada Ragheb Elnaggar: software; H. Khan: data curation, visualization; Faisal Alresheedi: conceptualization.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришкен.

Маалыматтын жеткиликтүүлүгү: Булак “No datasets were generated or analyzed during the current study” деген билдирүүнү колдонот. Макала көптөгөн эксперименттик өлчөөлөрдү жана графиктерди билдиргени менен, өзүнчө чийки маалымат топтомун бөлүшпөйт.

Негизги синтез: 19 g Curcuma longa / 100 mL суу; 30-40 мүнөт кайнатуу; 60 mL экстракт реакция чөйрөсү; 0,3 M Mn(NO₃)₂·4H₂O; 0,6 M Fe(NO₃)₃·9H₂O; Mn/Fe=1:2; 100 °C / 3 саат аралаштыруу; 1 M NaOH менен pH болжол менен 11; 5000 rpm центрифуга; 50 °C / 96 саат кургатуу; 500 °C / 5 саат күйдүрүү; 5 °C/dak ысытуу ылдамдыгы.

Электрод даярдоо: MnFe₂O₄:көмүр карасы:PVDF = 80:10:10; NMP шламы; 1 × 1 cm² Ni көбүк; болжол менен 3,3 mg/cm² активдүү материал жүгү; 60 °C / 12 саат кургатуу.

Мүнөздөмө: PANalytical X'Pert PRO XRD, Cu Kα \(\lambda=1.5406 Å\); Renishaw inVia Raman микроскобу; JEOL JSM-7600F SEM + EDX; BET/N₂ адсорбция-десорбция; Curcuma longa экстракты үчүн FTIR.

Электрохимия: CHI 660E электрохимиялык иш станциясы; үч электроддуу 1 M KOH; Ag/AgCl референс электрод; Pt каршы электрод; CV 5-50 mV/s; GCD 0,8-2,0 A/g; EIS жыштык диапазонунун сандык чектери булакта көрсөтүлгөн эмес.

Эки электроддуу түзмөк: MnFe₂O₄/Ni көбүк оң электрод || 1 M KOH || активдештирилген көмүр/Ni көбүк терс электрод.

Статистикалык отчет: BET өлчөөлөрү үч кайталоо катары mean ± SD түрүндө берилген. Булак жалпы p маанисин, гипотеза тестин же ишеним интервалы анализин билдирбейт.

Булак ичиндеги дал келбестиктер: BET абзацы менен 2-таблицанын ортосунда стандарттык четтөө маанилери дал келбейт; EIS текстиндеги 4,62 × 10⁻¹¹ cm²/s баштапкы диффузия коэффициенти 3-таблицада 4,26 × 10⁻¹¹ cm²/s деп берилген; CV b-мааниси сүрөттө 0,54, текстте болжол менен 0,55. Tafel бөлүмүндөгү \(n\approx4\) чечмелөөсүнүн эсептөө теңдемеси өзүнчө билдирилген эмес.