Curcuma longa бо ёрии экстракт ба таври сабз синтезшудаи шпинелии MnFe₂O₄ як маводи электродии нанозаррачаи ферритӣ мебошад, ки марганетс ва оҳан дорад. Дар ин таҳқиқот нанозаррачаҳои MnFe₂O₄ бо усули сабзи ҳамтаҳшинсозӣ истеҳсол шуданд, ки дар он экстракти ризомаи Curcuma longa, номи илмии турмерик, ҳамчун муҳити табиии барқароркунанда ва устуворкунанда истифода шудааст; сохтори кристаллӣ, масоҳати сатҳ, ковокнокӣ, морфология, тақсимоти элементҳо ва рафтори электрохимиявии захиракунии энергия ба таври таҷрибавӣ таҳқиқ гардиданд.

Дифраксияи рентгенӣ (XRD) андозаи миёнаи кристаллитро 19,9 nm нишон дода, фазаи хоси шпинелии MnFe₂O₄-ро тасдиқ кард. Спектроскопияи Raman модҳои интизоршавандаи ларзишии феррити шпинелиро дастгирӣ намуд. Дар ченкуниҳои BET барои намунае, ки экстракти Curcuma longa истифода шудааст, дар Ҷадвали 2 масоҳати сатҳи 68,5 ± 1,1 m²/g ва андозаи миёнаи ковокии 8,7 ± 0,2 nm; барои намунаи бе экстракт 54,8 ± 1,3 m²/g ва 7,9 ± 0,3 nm гузориш шудааст. Дар тасвирҳои SEM агломератҳои ковок, ба ҳам пайваста ва монанди гулкарам мушоҳида шуда, дар таҳлили EDX тақсимоти якхелаи элементҳои Mn, Fe ва O гузориш шудааст.

Дар низоми таҷрибавии сеэлектродии 1 M KOH электроди MnFe₂O₄-и сабз синтезшуда дар зичии ҷараёни 0,8 A/g 295 F/g иқтидори хос нишон дод. Вақте ки зичии ҷараён ба 2,0 A/g баланд шуд, иқтидори хос то 68 F/g коҳиш ёфт. Намунаи муқоисавие, ки бе истифодаи ҳамон экстракти сабз омода шудааст, дар Расми 8d-и манбаъ дар 0,8 A/g 114 F/g ва дар 2,0 A/g 42 F/g нишон медиҳад. Ин муқоиса нишон медиҳад, ки дар шароити озмоишии таҳқиқот намунаи бо ёрии Curcuma longa синтезшуда қобилияти бештари захиракунии зарядро нишон додааст; аммо таҳқиқот барои ин фарқ санҷиши аҳамияти оморӣ гузориш намекунад.

Электроди MnFe₂O₄-и сабз синтезшуда пас аз 5000 даври галваностатикии заряд-разряд дар 0,8 A/g тақрибан %87,3-и иқтидори ибтидоии худро нигоҳ дошт. Дар спектроскопияи импеданси электрохимиявӣ (EIS) муқовимати интиқоли заряди электроди сеэлектродӣ \(R_{ct}\) пеш аз даврзанӣ 3,19 Ω буд ва пас аз даврзанӣ то 2,76 Ω коҳиш ёфт. Манбаъ ин тағйиротро бо беҳтар шудани интиқоли заряд дар интерфейси электрод-электролит мепайвандад.

Таҳқиқот танҳо бо тавсифоти сеэлектродии монанд ба нимҳуҷайра маҳдуд нашуда, инчунин суперконденсатори асимметрии дуэлектродиро аз электроди мусбати MnFe₂O₄/Ni-кафк ва электроди манфии карбони фаъол/Ni-кафк омода кардааст. Ин дастгоҳ дар 0,8 A/g иқтидори хоси 79 F/g нишон дод; баландтарин зичии энергияи гузоришшуда дар зичии қувваи 640 W/kg 28,24 Wh/kg буд ва дар зичии қувваи 1600 W/kg зичии энергия 12,89 Wh/kg буд.

Ҳадди тафсири ин натиҷаҳо муҳим аст. Арзиши 295 F/g ва нигоҳдории даврии %87,3 бевосита нишондиҳандаи дастгоҳи ниҳоии дуэлектродӣ нест; он ба ченкунии электроди сеэлектродии MnFe₂O₄ тааллуқ дорад. Илова бар ин, таҳқиқот дар миқёси лабораторӣ аст. Миқёсбандии истеҳсолот, арзёбии давраи ҳаёт, таҳлили хароҷот ё санҷиши эътимоднокии дарозмуддат дар модули тиҷоратии суперконденсатор анҷом дода нашудааст. Аз ин рӯ, истилоҳи “сабз” махсусан равиши синтез бо ёрии экстракти растаниро тавсиф мекунад; ин маъно надорад, ки тамоми занҷири истеҳсолот бо таҳлили давраи ҳаёт ҳамчун дорои таъсири экологии миқдоран паст исбот шудааст.

Чаро Нанозаррачаҳои MnFe₂O₄ ҳамчун Электроди Суперконденсатор Омӯхта Мешаванд?

Шпинели MnFe₂O₄ феррити металли гузариш аст, ки дар он ионҳои Mn ва Fe метавонанд дар якчанд ҳолати оксидшавӣ иштирок кунанд ва тавассути реаксияҳои баргардонандаи Faradaic redox заряд захира намоянд; ин таҳқиқот фаъолиятҳои redox-и MnFe₂O₄-ро бо масоҳати баланди сатҳ ва наноструктураи ковок муттаҳид карда, онро ҳамчун электроди суперконденсатор арзёбӣ мекунад.

Суперконденсатор чиро захира мекунад?

Суперконденсатор энергияи барқиро бо ҷамъ кардани заряд дар интерфейси электрод-электролит захира мекунад. Дар конденсаторҳои идеалии қабати дукаратаи барқӣ захиракунӣ асосан ба ҷудошавии электростатикии заряд такя мекунад, дар ҳоле ки дар маводҳои псевдокапаситивӣ реаксияҳои зуд ва баргардонандаи redox дар сатҳ ё наздики сатҳ низ ба захиракунии заряд саҳм мегузоранд.

Мавҷудияти қуллаҳои равшани анодӣ ва катодӣ дар хатҳои CV-и электроди MnFe₂O₄ нишон медиҳад, ки захиракунӣ танҳо ба механизми идеалии қабати дукарата такя намекунад. Манбаъ ин рафторро ба гузаришҳои оксидшавӣ-барқароршавии Mn²⁺/Mn³⁺ ва Fe²⁺/Fe³⁺ мепайвандад.

Сохтори шпинелӣ чӣ маъно дорад?

Феррити шпинелӣ умуман сохтори ферритиро ифода мекунад, ки дар он катионҳои металлӣ дар минтақаҳои гуногуни координатсионии шабакаи кристаллии аз ионҳои оксиген сохташуда ҷой мегиранд. Ҳадафи асосии таҳлилҳои XRD ва Raman дар таҳқиқот санҷидани он аст, ки оё маҳсулоти синтезшуда сохтори интизоршавандаи шпинелии MnFe₂O₄ дорад ё не.

Дар намунаи XRD манбаъ сатҳҳои кристаллии (111), (220), (311), (222), (400), (422), (511), (440), (531), (620), (533), (622) ва (444)-ро нисбат додааст. Баландтарин шиддат дар сатҳи (311) мушоҳида шудааст. Муаллифон инчунин изҳор мекунанд, ки қуллаҳои иловагии фазаҳои бегона мушоҳида нашуданд ва намуна ба корти JCPDS 10-0319 мувофиқ арзёбӣ шудааст.

Экстракти Curcuma longa дар Синтез Чӣ Кор Мекунад?

Экстракти Curcuma longa дар ин таҳқиқот ҳамчун ҷузъи табиии барқароркунанда ва устуворкунанда истифода мешавад, ки ба муҳити синтези MnFe₂O₄ гурӯҳҳои функсионалии фенолӣ ва дигар фитохимиявиро таъмин мекунад; муаллифон пешниҳод мекунанд, ки ин ҷузъҳо ба ядрошавӣ, афзоиши заррача, химияи сатҳ ва танзими агломератсия саҳм мегузоранд.

Экстракти растанӣ чӣ гуна омода шуд?

Мувофиқи усули манбаъ, 19 g ризомаи тару тозаи Curcuma longa майда карда шуда, дар 100 mL оби дистиллшуда 30-40 дақиқа ҷӯшонида ва сипас филтр карда шуд, то экстракти шаффоф ба даст ояд. 60 mL аз ин экстракт ҳамчун муҳити реаксияи синтези MnFe₂O₄ истифода шуд.

Маҳлулҳои 0,3 M Mn(NO₃)₂·4H₂O ва 0,6 M Fe(NO₃)₃·9H₂O алоҳида омода шуда, ба экстракт илова шуданд. Таносуби Mn/Fe дар 1:2 нигоҳ дошта шуд. Омехтаи реаксия дар 100 °C се соат пайваста омехта карда шуд.

Сипас маҳлули 1 M NaOH тадриҷан илова шуд ва вақте pH тақрибан ба 11 расид, таҳшини сиёҳ ба вуҷуд омад. Манбаъ pH-ро ҳамчун “near 11” медиҳад; pH-и ниҳоии дақиқтарро гузориш намекунад.

Таҳшин дар 5000 rpm сентрифуга шуда, чанд маротиба бо оби тоза ва этанол шуста ва дар 50 °C 96 соат хушк карда шуд. Манбаъ вақти сентрифугакунонӣ ва шумораи дақиқи шустанро гузориш намекунад.

Маҳсулоти хушкшуда баъдан бо суръати гармкунии 5 °C/dak то 500 °C гарм карда шуда, дар 500 °C панҷ соат тав дода шуд. Пас аз тавдиҳӣ маҳсулот дар ҳавон майда карда шуда, хокаи нозуки MnFe₂O₄ ба даст омад.

Электрод чӣ гуна омода шуд?

Маводи фаъоли MnFe₂O₄, карбони сиёҳи гузаронанда ва пайвандаки PVDF бо таносуби массаи 80:10:10 омехта карда шуданд. Омехта бо истифодаи миқдори мувофиқи N-метил-2-пирролидон (NMP) ба шлами якхела табдил дода шуд. Манбаъ ҳаҷми дақиқи NMP-ро гузориш намекунад.

Ҳамчун коллектори ҷараён кафки никелии 1 × 1 cm² истифода шуд. Кафки никелӣ бо этанол, оби дистиллшуда ва ацетон ба таври ултрасадоӣ тоза карда шуда, шлами омодашуда ба сатҳ пӯшонида шуд ва боркунии маводи фаъол тақрибан 3,3 mg/cm² танзим гардид. Электроди пӯшонидашуда дар 60 °C 12 соат хушк карда шуд.

Муодилаи Debye-Scherrer дар Ин Таҳқиқот Чиро Ҳисоб Мекунад?

Муодилаи Debye-Scherrer барои ҳисоб кардани андозаи тахминии миёнаи минтақаҳои когерентии кристаллӣ аз паҳноии қуллаҳои XRD истифода шуда, таҳқиқот барои MnFe₂O₄ андозаи миёнаи кристаллитии 19,9 nm гузориш кардааст; ин арзиш бо андозаи тақрибан 36,2 µm агломерат дар SEM як бузургии физикӣ нест.

Шароити таҷрибавии XRD

Ченкунии XRD бо дифрактометри PANalytical X'Pert PRO бо истифода аз нури Cu Kα анҷом дода шуд. Манбаъ дарозии мавҷи нурро \(\lambda=1.5406\,Å\) медиҳад.

Барои андозаи кристаллит Муодилаи (1):

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

Формула чиро ҳисоб мекунад? Андозаи тахминии миёнаи кристаллит \(D\)-ро бар асоси васеъшавии қуллаҳои XRD ҳисоб мекунад.

Тағйирёбандаҳо: \(D\) андозаи кристаллит; \(\lambda\) дарозии мавҷи нури рентгении истифодашуда; \(\beta\) паҳноии қуллаи дифраксия; \(\theta\) кунҷи Bragg мебошад. Манбаъ арзиши \(\lambda=1.5406\,Å\)-ро равшан медиҳад. Мақола тартиби ҳисоб/ислоҳи \(\beta\)-ро муфассал шарҳ намедиҳад.

Барои зичии хаттии дислокатсия Муодилаи (2):

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

Дар ин муодила бо кам шудани андозаи кристаллит зичии хаттии ҳисобшудаи дислокатсия зиёд мешавад. Таҳқиқот барои MnFe₂O₄ арзиши \(2.52\times10^{15}\) lines/m²-ро гузориш мекунад.

Муносибати Bragg барои фосилаи байни сатҳҳои кристаллӣ, Муодилаи (3):

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

Дар ин ҷо \(d\) масофаи байни сатҳҳои кристаллӣ, \(n\) тартиби дифраксия, \(\lambda\) дарозии мавҷи рентгенӣ ва \(\theta\) кунҷи Bragg мебошад. Манбаъ арзиши миёнаи \(d\)-spacing-ро 2,56 Å медиҳад.

Чаро 19,9 nm ва тақрибан 36,2 µm аз ҳам хеле фарқ мекунанд?

Манбаъ ин фарқро равшан шарҳ медиҳад. Арзиши 19,9 nm дар XRD андозаи хоси минтақаҳои алоҳидаи когерентии кристаллитӣ мебошад. Тақрибан 36,2 µm дар гистограммаи SEM бошад ба андозаи кластерҳои калонтари агломератӣ алоқаманд аст, ки аз якҷоя шудани бисёр нанокристаллитҳо ба вуҷуд меоянд. Аз ин рӯ, ин ду рақам як объектро чен намекунанд ва мустақиман ба ҳам зид нестанд.

Таҳлили Raman чиро нишон дод?

Дар спектри Raman бандҳои тақрибан 219, 334, 469, 580 ва 688 cm⁻¹ гузориш шуда, мутаносибан ба модҳои ларзишии шпинелии ферритии T_2g(1), E_g, T_2g(3), T_2g(2) ва A_1g нисбат дода шуданд.

Манбаъ инчунин бандҳои иловагии заифро дар атрофи тақрибан 284 ва 385 cm⁻¹ зикр карда, онҳоро бо ларзишҳои аз нуқсонҳо ба вуҷудомада, бетартибии маҳаллии катионҳо, вайроншавии симметрия дар миқёси нано ё омехташавии модҳои фононӣ мепайвандад. Ин шарҳ тафсири спектралии муаллифон аст; таҳқиқот ин эҳтимолҳоро бо таҷрибаҳои ҷудогона аз ҳам фарқ намекунад.

Таҳлили BET чиро чен кард?

Таҳлили BET барои арзёбии масоҳати хоси дастрасии сатҳи мавод тавассути адсорбсияи газ истифода шуд. Барои ҳар ду намуна манбаъ изотермаи адсорбсия-десорбсияи Tip-IV ва хусусияти мезоковокро гузориш кардааст.

Номувофиқии дохили манбаъ: Параграфи шарҳи натиҷаҳои BET инҳирофҳои стандартиро барои масоҳати сатҳ 68,5 ± 1,3 ва 54,8 ± 1,1; барои андозаи ковокии намунаи бе экстракт бошад 7,9 ± 0,2 менависад. Ҷадвали 2, ки ба таври равшан “mean ± SD, n=3” номгузорӣ шудааст, арзишҳои болоиро медиҳад. Дар ҷадвали маълумотии Verianla арзишҳои Ҷадвали 2 нигоҳ дошта шудаанд; фарқи параграф пинҳон карда нашудааст.

Чаро таҳлили FTIR на танҳо ба MnFe₂O₄, балки ба экстракти растанӣ низ гузаронида шуд?

Спектри FTIR барои арзёбии гурӯҳҳои функсионалӣ дар экстракти Curcuma longa дода шудааст. Манбаъ банди 3416 cm⁻¹-ро ба кашиши фенолии O-H ва бандҳои 2925 ва 2861 cm⁻¹-ро ба кашишҳои алифатии C-H мепайвандад.

Бандҳои минтақаҳои 1639, 1513, 1423, 1313, 1192, 1053, 873 ва 612 cm⁻¹ ба ларзишҳои C=O/C=C, ҳалқаи ароматӣ, C-N/C-O ва C-O алоқаманд шудаанд. Муаллифон тафсир мекунанд, ки ин гурӯҳҳои функсионалии фитохимиявӣ ҳангоми синтез ба вазифаи табиии барқароркунанда ва устуворкунанда саҳм мегузоранд.

Морфологияи SEM чиро нишон дод?

Тасвирҳои SEM нишон медиҳанд, ки MnFe₂O₄ кластерҳои сахт агломератшуда, вале ба ҳам пайваста, донадор ва “монанди гулкарам” ташкил медиҳад. Дар калонкунии бештар дида шуд, ки кластерҳо аз нанозаррачаҳои аввалияи квазисфераӣ иборатанд ва байни заррачаҳо фосилаҳо мавҷуданд.

Топографияи 3D-и сатҳ ноҳамвории баланд, тақсимоти номунтазами баландӣ ва чуқуриҳои амиқро нишон медиҳад. Манбаъ ин сохтори ковок ва ноҳамворро ҳамчун хусусияте тафсир мекунад, ки метавонад дастрасии электролит ба сатҳ, роҳҳои диффузияи ион ва шумораи сатҳҳои электрохимиявии фаъолро зиёд кунад.

Натиҷаҳои EDX чӣ мегӯянд?

Манбаъ мегӯяд, ки дар спектри EDX ба ғайр аз Mn, Fe ва O қуллаҳои иловагии элементҳо дида нашудаанд ва дар харитасозӣ ин се элемент дар тамоми намуна якхела тақсим шудаанд. Таҳлили EDX дар ин ҷо далели таркиби элементӣ ва тақсимоти фазоӣ аст; муайян кардани фазаи кристаллӣ асосан бо XRD анҷом дода шудааст.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Низоми электрохимиявии сеэлектродӣ

Арзиши b ва Таҳлили Dunn дар CV Чиро Нишон Медиҳанд?

Манбаъ бо истифода аз қонуни қувваи \(i=av^b\) ва ҷудокунии Dunn тафсир мекунад, ки дар захиракунии заряди MnFe₂O₄ ҳам равандҳои бо диффузия идорашаванда ва ҳам бо сатҳ идорашаванда мавҷуданд; аз сабаби он ки арзиши b тақрибан 0,54-0,55 аст, саҳми диффузия муҳим мебошад, дар ҳоле ки бо зиёд шудани суръати сканкунӣ саҳми ҳисобшудаи капаситивӣ меафзояд.

Хатҳои CV чӣ гуна тафсир шуданд?

CV, яъне вольтамметрияи даврӣ, ченкунии ҷараёни аз электрод гузаранда ҳангоми сканкунии идорашавандаи потенсиал аст. Дар хатҳои CV-и MnFe₂O₄ қуллаҳои равшани оксидшавӣ ва барқароршавӣ мушоҳида шудаанд ва манбаъ инро нишонаи реаксияҳои Faradaic redox арзёбӣ кардааст.

Қонуни қуввае, ки дар манбаъ байни суръати сканкунӣ \(v\) ва ҷараёни қулла \(i\) истифода шудааст:

\[ i=a v^b \]

Дар ин муносибат \(a\) собити мутаносибӣ, \(v\) суръати сканкунӣ ва \(b\) нишондиҳандаест, ки барои тафсири хусусияти кинетикаи захиракунии заряд истифода мешавад. Дар манбаъ нишебии графики log(i)-log(v) дар Расми 7b b=0,54 ва дар матни шарҳ тақрибан 0,55 дода шудааст; барои мувофиқати хаттӣ \(R^2=0.96\) гузориш шудааст.

Дар чорчӯбаи тафсири мақола, ҳар қадар арзиши b ба 0,5 наздик шавад, равандҳои бо диффузия идорашаванда бештар ҳукмрон мешаванд; ҳар қадар ба 1 наздик шавад, равандҳои сатҳӣ/капаситивӣ бештар бартарӣ мегиранд. Аз ин рӯ, манбаъ мегӯяд, ки MnFe₂O₄ рафтори гибридии захиракуниро нишон медиҳад, ки ҳар ду механизмро дар бар мегирад ва саҳми диффузия муҳим аст.

Муодилаи Dunn

Муодилаи (4):

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

Формула чиро ҷудо мекунад? Ҷараёни умумии дар потенсиали муайян ченшударо ба ду ҷузъ ҷудо мекунад: саҳми сатҳӣ/капаситивӣ, ки бо суръати сканкунӣ хаттӣ масштаб мешавад, ва саҳми бо диффузия идорашаванда, ки бо \(v^{1/2}\) масштаб мешавад.

\(k_1v\) дар манбаъ равандҳои капаситивиро ва \(k_2v^{1/2}\) саҳми бо диффузия идорашавандаро ифода мекунад. Манбаъ барои мувофиқати хаттии Dunn \(R^2=0.98\) медиҳад.

Фоизҳои дар расм нишон додашуда тамғаҳои гирдкардашуда мебошанд ва дар баъзе сатрҳо ҷамъи ду саҳм метавонад дақиқ %100 набошад. Тамоюли асосии манбаъ равшан аст: бо зиёд шудани суръати сканкунӣ саҳми ҳисобшудаи капаситивӣ меафзояд ва саҳми диффузия кам мешавад.

Таҳлили Tafel

Манбаъ дар арзёбии Tafel-и Расми 7c ифодаи тақрибан \(n\approx4\)-ро истифода бурда, онро ҳамчун нишонаи раванди интиқоли бисёрэлектронӣ дар марҳилаи маҳдудкунандаи суръат тафсир мекунад.

Аммо мақола нишон намедиҳад, ки ин арзиши \(n\) аз нишебии Tafel бо кадом муодила ва параметрҳои равшан ҳисоб шудааст. Аз ин рӯ, Verianla арзиши \(n\approx4\)-ро ҳамчун тафсири муаллиф, ки дар манбаъ гузориш шудааст, нигоҳ медорад ва ҳисобкунии мустақили шумораи электронҳоро намесозад.

Реаксияҳои redox, ки дар манбаъ пешниҳод шудаанд

Мақола реаксияҳои MnFe₂O₄-ро дар электролити KOH бо муодилаҳои схемавии зерин ифода мекунад:

Ҳангоми заряд:

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

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

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

Реаксияҳое, ки дар манбаъ ҳангоми разряд дар самти баръакс дода шудаанд:

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

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

Реаксияи умумие, ки дар манбаъ дода шудааст:

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

Ин муодилаҳо схемаҳои реаксияе мебошанд, ки мақола барои шарҳи механизми электрохимиявӣ истифода мекунад; таҳқиқот таҷрибаи механизмеро гузориш намекунад, ки намудҳои мобайниро бо спектроскопияи operando алоҳида тасдиқ кунад.

GCD чист?

Заряд-разряди галваностатикӣ (GCD) ченкунии рафтори потенсиал-вақти электрод ҳангоми заряд ва разряд дар ҷараёни доимӣ мебошад. Манбаъ хатҳои MnFe₂O₄-ро ғайрихаттӣ ва асимметрӣ, дорои минтақаҳои равшани платои потенсиал тавсиф карда, инро нишонаи реаксияҳои Faradaic redox ва рафтори “battery-like” мешуморад.

Ин ифода бояд бо тавсифи “псевдокапаситивӣ” дар бахши CV якҷо хонда шавад. Манбаъ нишон медиҳад, ки электрод мисли конденсатори идеалии қабати дукарата рафтор намекунад; балки рафтори омехтаи захиракунии зарядро нишон медиҳад, ки равандҳои бо сатҳ ва бо диффузия/redox идорашаванда якҷо мавҷуданд.

Формулаи иқтидори хос

Муодилаи (5):

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

Формула чиро ҳисоб мекунад? Заряди захирашуда ба як воҳиди массаи маводи фаъолро аз вақти разряди GCD ҳосил карда, ҳамчун иқтидори хоси \(C_{sp}\) ҳисоб мекунад.

Тағйирёбандаҳо: \(I_d\) ҷараёни разряд, \(t_d\) вақти разряд, \(m\) массаи маводи фаъол дар кафки никелӣ, \(v_2-v_1\) равзанаи потенсиали истифодашуда мебошад. Таҳқиқот иқтидори хосро бо F/g медиҳад.

Формулаи зичии энергия

Муодилаи (6):

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

Дар ин ҷо \(E_d\) зичии энергия, \(C_{sp}\) иқтидори хос ва \(\Delta V\) равзанаи потенсиал мебошад. Манбаъ зичии энергияро бо Wh/kg гузориш мекунад. Коэффисиенти 7,2 дар муодила қисми табдили байни воҳидҳои иқтидор ва энергия мебошад.

Формулаи зичии қувва

Муодилаи (7):

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

\(P_d\) зичии қувва, \(E\) зичии энергияест, ки дар муодилаи манбаъ истифода шудааст, ва \(t_d\) вақти разряд мебошад. Коэффисиенти 3600 табдили соат-сонияро дар бар мегирад. Манбаъ зичии қувваро бо W/kg медиҳад.

Иқтидори хоси электроди сабз синтезшуда бо зиёд шудани зичии ҷараён аз 295 F/g то 68 F/g коҳиш меёбад. Шарҳи манбаъ ин аст, ки дар ҷараёни баланд барои расидани ионҳо ба тамоми минтақаҳои маводи фаъол вақти камтар мемонад ва истифодаи марказҳои фаъол маҳдуд мешавад.

Намунаи бе экстракт дар 1,2 A/g 82 F/g ва дар 1,4 A/g 85 F/g нишон медиҳад, ки тағйироти хурди ғайримонотонӣ аст ва дар расми манбаъ ҳамин тавр тамғагузорӣ шудааст. Verianla арзишҳоро барои “ҳамвортар” намудан тағйир надодааст.

Натиҷаи Ragone барои низоми сеэлектродӣ

Манбаъ барои электроди сеэлектродии MnFe₂O₄ баландтарин зичии энергияро 5,91 Wh/kg ва зичии қувваи мутаносибро 152 W/kg гузориш мекунад. Дар тарафи қувваи баланди Расми 8b тақрибан 1,37 Wh/kg зичии энергия бо 380 W/kg зичии қувва ҷуфт шудааст.

Муаллифон равшан изҳор мекунанд, ки низоми сеэлектродӣ рафтори дохилии электрохимиявии маводи фаъолро нишон медиҳад ва ба зичии энергияи сатҳи дастгоҳи пурра бевосита баробар нест.

Устувории 5000 давр

Электроди кории MnFe₂O₄-и сабз синтезшуда дар 0,8 A/g барои 5000 даври заряд-разряд санҷида шуд ва дар охири давр тақрибан %87,3-и иқтидори ибтидоии худро нигоҳ дошт.

Ин фоиз барои электроди сеэлектродии MnFe₂O₄ гузориш шудааст. Барои дастгоҳи асимметрии дуэлектродии MnFe₂O₄//AC, ки дар поён шарҳ дода мешавад, манбаъ ҳамон арзиши retention-и 5000 даврро намедиҳад.

Таҳлили EIS ва Nyquist

Спектроскопияи импеданси электрохимиявӣ барои арзёбии муқовимати барқӣ ва рафтори реактивии вобаста ба басомади низоми электрод-электролит истифода шуд. Манбаъ мегӯяд, ки хати Nyquist дар басомади баланд нимдоира ва дар басомади паст минтақаи хаттии навъи Warburg нишон медиҳад.

Схемаи эквивалентӣ дар манбаъ ба шакли \(R(C(RW))\) дода шудааст. Дар ин ҷо \(R_s\) муқовимати маҳлул/омӣ, \(R_{ct}\) муқовимати интиқоли заряд, \(C\) ҷузъи капаситивӣ ва \(W\) ҷузъи Warburg мебошад, ки ба диффузияи ионҳо алоқаманд аст.

Коҳиши муқовимати интиқоли заряд аз 3,19 Ω то 2,76 Ω аз ҷониби манбаъ ҳамчун беҳтар шудани тамоси электрод-электролит ва кинетикаи интиқоли заряд тафсир мешавад. \(R_s\) бошад аз 0,83 Ω то 0,96 Ω каме зиёд шудааст.

Номувофиқии дохили манбаъ дар EIS: Ҷадвали 3 арзиши ибтидоии \(D_{K^+}\)-ро 4,26 × 10^-11 cm²/s медиҳад, дар ҳоле ки матни шарҳи бевосита боло 4,62 × 10^-11 cm²/s менависад. Арзиши ниҳоӣ дар ҳар ду ҷой 7,41 × 10^-10 cm²/s аст. Verianla дар ҷадвали асосӣ арзиши Ҷадвали 3-и манбаъро нигоҳ доштааст.

Формулаи коэффисиенти диффузияи иони калий

Муодилаи (8):

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

Формула чиро ҳисоб мекунад? Дар таҳлили EIS/Warburg-и манбаъ барои ҳисоб кардани коэффисиенти диффузияи ионҳои K⁺ дар низоми электрохимиявӣ истифода шудааст.

Тағйирёбандаҳои додаи манбаъ: \(A\) масоҳати электрод; \(F=96\,500\ C\,mol^{-1}\) собити Faraday; \(n\) шумораи электронҳои иштироккунанда дар реаксия ба ҳар формулаи химиявӣ; \(R=8.314\ J\,mol^{-1}K^{-1}\) собити газ; \(T=300\,K\) ҳарорати озмоиш; \(C\) консентратсияи молярии ионҳои K⁺; \(\sigma_w\) бошад коэффисиентест, ки муносибати Warburg байни басомад ва ҷузъи воқеии импедансро ифода мекунад.

Манбаъ арзиши ададии \(\sigma_w\), диапазони fit ё ҳудудҳои дақиқи басомади EIS-ро барои ин ҳисоб дар шакли ҷадвал намедиҳад. Аз ин рӯ, тамоми ҳисобҳои мобайнии Муодилаи (8)-ро мустақилона бозсозӣ кардан мумкин нест.

Чаро Натиҷаи Сеэлектродӣ ва Натиҷаи Суперконденсатори Асимметрии Дуэлектродӣ Бояд Алоҳида Тафсир Шаванд?

Низоми сеэлектродӣ рафтори дохилии як электроди кории MnFe₂O₄-ро бо ёрии электроди истинод ва муқобил чен мекунад, дар ҳоле ки суперконденсатори асимметрии дуэлектродии MnFe₂O₄//карбони фаъол рафтори пурраи ҳуҷайраро, ки аз якҷоя кор кардани электродҳои мусбат ва манфӣ ба вуҷуд меояд, чен мекунад; бинобар ин арзиши 295 F/g барои электрод ва 79 F/g барои дастгоҳ такрори як метрика дар як шароити таҷрибавӣ нестанд.

Суперконденсатори асимметрӣ чӣ гуна сохта шуд?

Манбаъ ин дастгоҳро барои арзёбии татбиқпазирии амалии электроди MnFe₂O₄ омода кардааст. Сохтори асимметрӣ ҳадаф гирифта шудааст, ки дар он рафтори псевдокапаситивӣ/Faradaic-и электроди мусбати MnFe₂O₄ бо рафтори қабати дукаратаи барқии электроди манфии карбони фаъол якҷо кор мекунад.

Дар манбаъ баландтарин иқтидори хоси дастгоҳ дар 0,8 A/g 79 F/g ва арзиши он дар 2,0 A/g 36 F/g гузориш шудааст.

Натиҷаҳои Ragone-и ASC

Графики Ragone мувозинаи байни зичии энергия ва зичии қувваро нишон медиҳад. Дар қувваи баландтар энергия дар вақти кӯтоҳтар интиқол меёбад ва зичии энергияи дастрас метавонад кам шавад. Дар дастгоҳи ASC-и таҳқиқот арзиши 28,24 Wh/kg дар 640 W/kg ва арзиши 12,89 Wh/kg дар 1600 W/kg гузориш шудааст.

Натиҷаи EIS-и дастгоҳи ASC

Дар таҳлили Nyquist-и пас аз давр барои дастгоҳи дуэлектродӣ манбаъ:

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

арзишҳоро гузориш кардааст.

Арзиши \(R_{ct}=14.33\,\Omega\)-и дастгоҳи ASC ва арзиши пас аз давр 2,76 Ω-и электроди сеэлектродӣ меъмориҳои гуногуни ҳуҷайра ва интерфейсҳоро ифода мекунанд. Аз ин рӯ, ин ду рақам набояд мустақиман танҳо ҳамчун “дастгоҳ бадтар/беҳтар” муқоиса шаванд.

Дар муқоисаи адабиёти манбаъ ин таҳқиқот дар куҷо қарор дорад?

Ин ҷадвал барои муқоиса муфид аст, аммо зичиҳои ҷараён, электролитҳо, усулҳои синтез ва низомҳои таҷрибавӣ дар ҳамаи сатрҳо яксон нестанд. Бинобар ин, танҳо бо дидани баландтарин арзиши F/g набояд чунин тафсир кард, ки байни усулҳо таҷрибаи назоратшавандаи бартарӣ анҷом дода шудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот бевосита дастгирӣ мекунад

• Бо усули ҳамтаҳшинсозии бо ёрии Curcuma longa MnFe₂O₄-и кристаллии шпинелӣ ба даст оварда шуд.
• Дар XRD андозаи миёнаи кристаллит 19,9 nm ҳисоб шуд.
• Спектри Raman модҳои ларзиширо нишон дод, ки ба сохтори феррити шпинелӣ нисбат дода шудаанд.
• Мувофиқи арзишҳои Ҷадвали 2-и BET, масоҳати сатҳи намунаи бо экстракт 68,5 ± 1,1 m²/g ва намунаи бе экстракт 54,8 ± 1,3 m²/g аст.
• Дар SEM сохтори ковок ва агломератшудаи монанди гулкарам мушоҳида шуд.
• Дар EDX элементҳои Mn, Fe ва O ва тақсимоти якхелаи онҳо гузориш шуданд.
• Электроди сеэлектродии MnFe₂O₄ дар 0,8 A/g иқтидори хоси 295 F/g нишон дод.
• Ҳамин электрод пас аз 5000 давр тақрибан %87,3 иқтидори худро нигоҳ дошт.
• Дар EIS-и сеэлектродӣ \(R_{ct}\) аз 3,19 Ω то 2,76 Ω коҳиш ёфт.
• Дастгоҳи дуэлектродии MnFe₂O₄//AC дар 0,8 A/g иқтидори хоси 79 F/g нишон дод.
• Баландтарин зичии энергияи гузоришшудаи дастгоҳи ASC 28,24 Wh/kg аст ва ин арзиш дар зичии қувваи 640 W/kg ба даст омадааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот бевосита дастгирӣ намекунад

• Нишон дода нашудааст, ки электроди MnFe₂O₄ дар суперконденсаторҳои тиҷоратӣ ҳамон иҷроишро таъмин мекунад.
• Арзиши 295 F/g иқтидори хоси дастгоҳи пурраи дуэлектродӣ нест.
• Натиҷаи %87,3 / 5000 давр барои дастгоҳи асимметрии MnFe₂O₄//AC гузориш нашудааст.
• Бо таҳлили давраи ҳаёт нишон дода нашудааст, ки синтези Curcuma longa дар тамоми давраи истеҳсолот нисбат ба усулҳои классикӣ таъсири камтари экологӣ дорад.
• Миқёсбандии саноатӣ, истеҳсоли электродҳои майдони калон ё самаранокии истеҳсоли силсилавӣ санҷида нашудааст.
• Амнияти дарозмуддати дастгоҳи тиҷоратӣ, даврҳои ҳарорат ё устувории механикӣ арзёбӣ нашудааст.
• Барои BET, GCD ва дигар муқоисаҳо таҳлили умумии аҳамияти оморӣ гузориш нашудааст.
• Намудҳои мобайнии реаксияҳои redox-и дар манбаъ додашуда бо усулҳои operando алоҳида тасдиқ нашудаанд.
• Муодилаи равшани ҳисобкунии натиҷаи \(n\approx4\) дар бахши Tafel дар мақола нишон дода нашудааст.

Ҷузъиёти нокифоя гузоришшуда аз нигоҳи такроршавандагӣ

Гарчанде манбаъ протоколи нисбатан муфассали синтез ва омодасозии электродро медиҳад, баъзе параметрҳоро кушода мегузорад. Ҳаҷми дақиқи ҳалкунандаи NMP ҳамчун “appropriate amount” ифода шудааст; вақти сентрифугакунонӣ дода нашудааст; шумораи шустан “several times” мондааст; диапазони дақиқи басомади ченкунии EIS гузориш нашудааст; \(\sigma_w\) ва дигар арзишҳои мобайнии fit, ки барои ҳисоб кардани коэффисиенти диффузияи EIS истифода шудаанд, дар шакли ҷадвал нашр нашудаанд.

Ин камбудиҳо мантиқи умумии усулро аз байн намебаранд, аммо метавонанд бозҳисобкунии натиҷаҳоро дар лабораторияи дигар бо айнан ҳамон тартиб душвор созанд.

Самти таҳқиқоти оянда

Муаллифон изҳор мекунанд, ки дар идомаи таҳқиқот ба системаҳои гибридӣ, истеҳсоли оммавӣ/миқёсбандӣ ва ҳамгироӣ ба дастгоҳҳои воқеӣ таваҷҷуҳ додан мумкин аст. Гарчанде дар мақолаи ҳозира дастгоҳи асимметрии дуэлектродӣ дар миқёси лабораторӣ сохта шудааст, ин модули тиҷоратии суперконденсатори омода барои истеҳсоли силсилавӣ ё тасдиқи раванди саноатӣ нест.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

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

Муаллифон ва тартиб: Ali Mujtaba; A. F. A. Kadir; Aqsa Saeed; Mohamed Bouzidi; Ghada Ragheb Elnaggar; H. Khan; Faisal Alresheedi.

Муаллифи масъул: H. Khan.

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

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

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

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

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

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

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

Маҷалла: Journal of Sol-Gel Science and Technology.

Нашриёт: Springer Nature.

Ҷилд / рақами мақола: Volume 120, Article 5 (2026). Дар ифодаи “120:5”-и манбаъ 5 рақами мақола аст; рақами саҳифаи дохилии PDF нест.

DOI: 10.1007/s10971-026-07250-9

Санаи қабул барои баррасӣ: 18 Июн 2026.

Санаи қабул: 15 Сентябр 2026.

Санаи нашри онлайн: Тибқи сабти расмии Springer Nature, 8 Октябр 2026.

Навъи манбаъ: Original Paper; синтези таҷрибавии нанозаррачаҳо, тавсифоти физикӣ/химиявӣ ва таҳқиқоти электрохимиявии захиракунии энергия.

Ҳолати ҳамсолсанҷӣ: Мақолаи нашршудаи маҷаллаи Springer Nature / version of record.

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

Маблағгузорӣ: Дастгирии Princess Nourah bint Abdulrahman University researchers supporting project number PNURSP2026R914 гузориш шудааст.

Саҳми муаллифон: 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.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон хабар додаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Дастрасии маълумот: Манбаъ ифодаи “No datasets were generated or analyzed during the current study”-ро истифода мебарад. Гарчанде мақола ченкуниҳо ва графикҳои зиёди таҷрибавиро гузориш мекунад, маҷмӯаи ҷудогонаи маълумоти хомро пешниҳод намекунад.

Синтези асосӣ: 19 g Curcuma longa / 100 mL об; 30-40 дақиқа ҷӯшонидан; 60 mL экстракт муҳити реаксия; 0,3 M Mn(NO₃)₂·4H₂O; 0,6 M Fe(NO₃)₃·9H₂O; Mn/Fe=1:2; 100 °C / 3 соат омехтакунӣ; бо 1 M NaOH pH тақрибан 11; 5000 rpm сентрифуга; 50 °C / 96 соат хушккунӣ; 500 °C / 5 соат тавдиҳӣ; суръати гармкунии 5 °C/dak.

Омодасозии электрод: MnFe₂O₄:карбони сиёҳ:PVDF = 80:10:10; шлами NMP; 1 × 1 cm² Ni кафк; тақрибан 3,3 mg/cm² боркунии маводи фаъол; 60 °C / 12 соат хушккунӣ.

Тавсифот: PANalytical X'Pert PRO XRD, Cu Kα \(\lambda=1.5406 Å\); микроскопи Renishaw inVia Raman; JEOL JSM-7600F SEM + EDX; BET/N₂ адсорбсия-десорбсия; FTIR барои экстракти Curcuma longa.

Электрохимия: стансияи электрохимиявии CHI 660E; сеэлектродии 1 M KOH; электроди истинод Ag/AgCl; электроди муқобил Pt; CV 5-50 mV/s; GCD 0,8-2,0 A/g; ҳудудҳои ададии диапазони басомади EIS дар манбаъ нишон дода нашудаанд.

Дастгоҳи дуэлектродӣ: MnFe₂O₄/Ni кафк электроди мусбат || 1 M KOH || карбони фаъол/Ni кафк электроди манфӣ.

Гузориши оморӣ: Ченкуниҳои BET ҳамчун се такрор дар шакли mean ± SD дода шудаанд. Манбаъ p-арзиши умумӣ, санҷиши гипотеза ё таҳлили фосилаи эътимодро гузориш намекунад.

Номувофиқиҳои дохили манбаъ: Арзишҳои инҳирофи стандартӣ байни параграфи BET ва Ҷадвали 2 мувофиқат намекунанд; коэффисиенти ибтидоии диффузияи 4,62 × 10⁻¹¹ cm²/s дар матни EIS дар Ҷадвали 3 ҳамчун 4,26 × 10⁻¹¹ cm²/s дода шудааст; арзиши b-и CV дар расм 0,54 ва дар матн тақрибан 0,55 аст. Муодилаи ҳисобкунии тафсири \(n\approx4\) дар бахши Tafel алоҳида гузориш нашудааст.