Desempenho eletroquímico aprimorado da lagarta magnética

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7822 (2023) Citar este artigo

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Nanofibras porosas de MgFe2O4 (Mg0.5Ni0.5Fe2O4) com Ni-incorporado foram sintetizadas usando o método de eletrofiação sol-gel. O bandgap óptico, os parâmetros magnéticos e os comportamentos capacitivos eletroquímicos da amostra preparada foram comparados com MgFe2O4 e NiFe2O4 puros eletrofiados com base nas propriedades estruturais e morfológicas. A análise de XRD afirmou a estrutura espinélio cúbica das amostras e seu tamanho de cristalito é avaliado como sendo inferior a 25 nm usando a equação de Williamson-Hall. Imagens FESEM demonstraram nanobelts, nanotubos e fibras semelhantes a lagartas interessantes para MgFe2O4, NiFe2O4 e Mg0.5Ni0.5Fe2O4 eletrofiados, respectivamente. A espectroscopia de reflectância difusa revelou que as nanofibras porosas de Mg0.5Ni0.5Fe2O4 possuem o band gap (1,85 eV) entre o valor calculado para nanofitas de MgFe2O4 e nanotubos de NiFe2O4 devido a efeitos de liga. A análise VSM revelou que a magnetização de saturação e a coercividade dos nanofitos de MgFe2O4 foram aumentadas pela incorporação de Ni2+. As propriedades eletroquímicas das amostras revestidas em espuma de níquel (NF) foram testadas por análise CV, GCD e EIS em um eletrólito 3 M KOH. O eletrodo Mg0.5Ni0.5Fe2O4@Ni revelou a maior capacitância específica de 647 F g-1 a 1 A g-1 devido aos efeitos sinérgicos de vários estados de valência, excepcional morfologia porosa e menor resistência à transferência de carga. As fibras porosas Mg0,5Ni0,5Fe2O4 apresentaram retenção de capacitância superior de 91% após 3000 ciclos a 10 A g−1 e notável eficiência coulômbica de 97%. Além disso, o supercapacitor assimétrico Mg0.5Ni0.5Fe2O4//Carbono ativado divulgou uma boa densidade de energia de 83 W h Kg-1 a uma densidade de potência de 700 W Kg-1.

A crescente demanda mundial por energia está incitando o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia e materiais com capacitância específica impressionante e estabilidade de ciclo brilhante, como supercapacitores1. As nanofibras unidimensionais (1D) que fornecem vários locais ativos para absorção de íons são potencialmente uma das melhores opções como eletrodo de armazenamento de energia devido às suas magníficas morfologias1,2. A eletrofiação é um método eficiente, econômico, controlável em diâmetro, conveniente e rápido para fabricar diferentes tipos de nanoestruturas unidimensionais, como nanofibras, nanobelts e nanotubos com desempenhos distintos, como excelente estabilidade cíclica, capacidade notável e condutividade iônica adequada . Vários critérios, como parâmetros da solução (precursores, viscosidade e solvente), taxa de fluxo, voltagem aplicada, taxa de aquecimento e temperatura, têm uma influência significativa na morfologia das nanoestruturas eletrofiadas3. As ferritas de espinélio metálico, geralmente conhecidas como MFe2O4 (M: um íon metálico bivalente), que os íons M e Fe podem localizar nas posições tetraédrica e octaédrica em um pacote cúbico de oxigênio, atraíram a atenção nos últimos anos devido à sua simplicidade de síntese, alta condutividade elétrica, baixas perdas elétricas e toxicidade inerente, estabilidades físicas e químicas, natureza magnética espontânea e eletroquímica resultando em aplicações em diferentes campos da tecnologia4,5. Anteriormente, o comportamento supercapacitivo de nanofibras C/CuFe2O46, Fe2O3@SnO27 e ZnOFe2O48 foi estudado extensivamente.

A ferrita de magnésio (MgFe2O4), possuindo um gap de 2,18 eV, é um conhecido material semicondutor do tipo n usado principalmente como absorvedor de micro-ondas e baterias de íon-lítio devido à magnetização de saturação moderada e alta estabilidade química9,10,11. A ferrita de níquel (NiFe2O4) é um semicondutor do tipo n, possuindo baixa coercividade e alta resistividade elétrica12. Tanto o MgFe2O4 quanto o NiFe2O4 possuem estruturas espinélio inversas cúbicas. Na estrutura do espinélio inverso, um cátion bivalente (Mg2+, Ni2+) ocupa metade da coordenação dos sítios B octaédricos e um cátion trivalente (Fe3+) localiza-se nos sítios A tetraédricos, bem como metade dos sítios B octaédricos4,13,14, 15,16,17.