نانوکامپوزیت اکسید آهن-اکسید گرافن کاهش یافته مشتق از چارچوب فلز-آلی NH_۲-MIL-۱۰۱ (Fe) برای کاربرد در الکترود منفی ابرباتری ها

به دلیل نگرانی های فزاینده زیست محیطی و رشد سریع دستگاه های الکترونیکی قابل حمل، توسعه ی باتری ها و ابرخازن های کارآمد مورد توجه گسترده قرار گرفته است. یکی از چالش های اصلی در توسعه ی ابرخازن های بهره ور، طراحی و بهینه سازی مواد قطب منفی با ظرفیت بالاتر است. در این پژوهش، یک چارچوب فلز-آلی (MOF) بر پایه ۲-آمینو بنزن ۱و۴ دی کربوکسیلیک اسید به عنوان لیگاند آلی و خوشه های فلزی Fe-O به عنوان گره، با نام NH۲-MIL-۱۰۱ (Fe)، به روش گرمابی در دمای پایین (۱۳۰ درجه سلسیوس) سنتز شد. سپس این MOF با اکسید گرافن (GO) در حضور اوره و به روش گرمابی در دمای ۱۸۰ درجه سلسیوس ترکیب شد تا نانوکامپوزیتی متشکل از اکسید آهن تثبیت شده درون یک چارچوب کربنی (α-Fe۲O۳/C) و اکسید گرافن کاهش یافته (rGO)، به اختصار Fe۲O۳-rGO، حاصل شود. نانوکامپوزیت Fe۲O۳-rGO ظرفیت ویژه ی تا ۴۸۲ فاراد بر گرم در جریان ویژه ۱ آمپر بر گرم در گستره پتانسیل ۰ تا ۱/۱- ولت نسبت به الکترود مرجع نقره/کلرید نقره در الکترولیت ۰/۳ مولار KOH را از خود نشان داد. این مقدار به طور قابل توجهی بیشتر از ظرفیت ویژه ی هر یک از اجزا شامل MOF(۹۸ فاراد بر گرم) و rGO (۲۵۱ فاراد بر گرم) است. علاوه بر این، الکترود Fe۲O۳-rGO ۵۵%  از ظرفیت اولیه خود را در جریان ۵۰ آمپر بر گرم حفظ کرد که نشانگر عملکرد مطلوب آن در سرعت های بالا است. عملکرد برجسته ی نانوکامپوزیت Fe۲O۳-rGO را می توان به ترکیب دو مکانیسم ذخیره سازی انرژی شامل ذخیره سازی بار در لایه ی دوگانه ی الکتریکی توسط rGO و ظرفیت خازنی شبه فارادایی ناشی از Fe۲O۳ نسبت داد؛ همچنین اثرات هم افزایی میان این دو جزء نقش کلیدی در بهبود عملکرد نهایی ایفا می کند. این تحقیق گامی موثر در جهت توسعه ی مواد قطب منفی کارآمد برای ابرباتری ها و ابرخازن ها محسوب می شود و بستر مناسبی برای پیشبرد نسل جدیدی از ابزارهای ذخیره سازی انرژی فراهم می آورد.

کلیدواژه ها:

هیبرید ابرخازن - باتری ، چارچوب فلز-آلی ، NH۲-MIL-۱۰۱ (Fe) ، & alpha ، -Fe۲O۳ ، اکسید گرافن کاهش یافته ، نانوکامپوزیت.