DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32926-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41492082
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Murugesan Periyasamy وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد وتصنيع المكثفات الفائقة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في إمكانيات أكاسيد المعادن الانتقالية (TMOs)، وبشكل خاص MoO₃، كمواد أقطاب للمكثفات الفائقة، مع معالجة قيودها بسبب التدهور الهيكلي أثناء التفاعلات الفاراديكية. لتعزيز استقرار وأداء MoO₃، تستكشف الدراسة دمج المواد الكربونية، وبشكل خاص أكسيد الجرافين المخفض (rGO) وأنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs). تم توصيف المركبات المُركبة، MWCNT@MoO₃ و rGO@MoO₃، باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك XRD و FTIR و مطياف رامان و تحليل BET، مما يكشف عن تحسينات كبيرة في المساحة السطحية والميكروية—81.14 م²/غ لـ rGO@MoO₃ مقارنة بـ 17.89 م²/غ لـ MoO₃ النقي.
أظهرت اختبارات الأداء الكهروكيميائي أن مركب rGO@MoO₃ تفوق على كل من MWCNT@MoO₃ و MoO₃ النقي، محققًا سعة محددة قدرها 490 ف/غ والحفاظ على 90.9% من سعته بعد 5000 دورة. كما أظهر rGO@MoO₃ كثافة طاقة قدرها 36.04 واط ساعة/كغ وكثافة طاقة قدرها 677.2 واط/كغ عند كثافة تيار قدرها 1 أ/غ. يُعزى الأداء المحسن إلى المساحة السطحية العالية، الهيكل الميكروني، والتفاعلات التآزرية بين rGO و MoO₃، التي تسهل نقل الأيونات وتحسن تخزين الشحن. تشير النتائج إلى أن rGO@MoO₃ هو مرشح واعد للمكثفات الفائقة من الجيل التالي، مع إمكانية تعزيز إضافي من خلال دمج الكالكوجينات المعدنية أو هياكل الكربون المضافة بالذرات الغريبة.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في إجراءاتهم التجريبية. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية من ميرك، الهند، وكانت من الدرجة التحليلية (AR). تشمل المواد الكيميائية المحددة المذكورة رباعي هيدرات موليبدات الأمونيوم \((NH_4)_6Mo_7O_{24} \cdot 4H_2O\)، بولي إيثيلين جلايكول (PEG-3350)، أكسيد الجرافين (نقاء 99%)، هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)، وحمض الهيدروكلوريك (HCl). بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام الماء منزوع الأيونات (DI) بشكل مستمر طوال التجارب لضمان نقاء وموثوقية النتائج.
النتائج
تشير النتائج إلى أن قيم الإجهاد الميكروي لـ MoO₃ و MWCNT@MoO₃ و rGO@MoO₃ قد زادت، مع حساب كثافات الانزياح كالتالي: 6.73 × 10⁻³ خط/م²، 5.71 × 10⁻³ خط/م²، و 5.64 × 10⁻³ خط/م²، على التوالي. أظهر تحليل تحسين ريتفيلد توافقًا جيدًا بين البيانات المرصودة والمُحسوبة، مع توافق عوامل R بشكل وثيق مع الدراسات السابقة. أكدت وجود قمم مميزة في طيف رامان التكامل الناجح للمواد الكربونية في مصفوفة MoO₃، مما يعزز قابليتها للتطبيق في تطبيقات المكثفات الفائقة. أدت الخصائص الهيكلية، بما في ذلك الهياكل السداسية الشبيهة بالألواح لـ MoO₃ والتوزيع المتجانس لـ rGO و MWCNTs، إلى تحسين الأداء الكهروكيميائي بشكل كبير من خلال تسهيل نقل الأيونات السريع وزيادة الموصلية.
كشف التحليل الحراري الوزني أن MWCNT@MoO₃ أظهر استقرارًا حراريًا متفوقًا مقارنةً بـ rGO@MoO₃ و MoO₃ النقي، مع فقدان الوزن بنسبة 9.38%، 12.58%، و 12.65%، على التوالي، عند 1000 °م. أظهرت الاختبارات الكهروكيميائية أن قطب rGO@MoO₃ حقق أعلى سعة محددة (Cₛₚ) قدرها 491 ف/غ عند 0.5 أ/غ، متفوقًا على MWCNT@MoO₃ (452 ف/غ) و MoO₃ النقي (380 ف/غ). كما حافظ rGO@MoO₃ على 90.9% من سعته الأولية بعد 5000 دورة، مما يدل على استقرار استثنائي في الدورة. يُعزى الأداء المحسن لـ rGO@MoO₃ إلى مساحته السطحية العالية، نقل الأيونات الفعال، والتأثيرات التآزرية لـ rGO، التي تحسن الموصلية الكهربائية وتسهّل نقل الشحن. بشكل عام، يعزز دمج المواد الكربونية في MoO₃ بشكل كبير خصائصه الكهروكيميائية، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات تخزين الطاقة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحقيق تخليق MoO$_3$ النقي ومركباته النانوية مع أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNT) وأكسيد الجرافين المخفض (rGO) بنجاح باستخدام طريقة هيدروحرارية. تضمنت العملية التحضير الدقيق لمحلول السلف، تلاه عملية الطهي في الأوتوكلاف عند 160 °م لمدة 24 ساعة، مما أسفر عن جزيئات نانوية تم تنقيتها بعد ذلك وحرقها. أكدت التوصيفات الهيكلية باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) ومطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) ومطياف رامان ومطياف الإلكترونات بالأشعة السينية (XPS) الهيكل المعيني لـ α-MoO$_3$ والتكامل الناجح للمواد الكربونية دون تغيير في الطور البلوري. تم تحديد أحجام البلورات للمواد المُركبة، مما يكشف عن زيادة في الحجم مع إضافة MWCNTs و rGO.
أظهرت التقييمات الكهروكيميائية أن مركب rGO@MoO$_3$ أظهر أداءً متفوقًا مقارنةً بـ MWCNT@MoO$_3$ و MoO$_3$ النقي، محققًا سعة محددة قدرها 490 ف/غ واستقرار دوري ممتاز، حيث احتفظ بـ 90.9% من سعته بعد 5000 دورة شحن وتفريغ جلفانية. تم عزو الأداء الكهروكيميائي المحسن إلى الهيكل الميكروني والمساحة السطحية العالية لـ rGO@MoO$_3$، مما سهل نقل الأيونات وتخزين الشحن. علاوة على ذلك، أشارت اختبارات الخلايا المتماثلة إلى كثافات طاقة وقوة واعدة، مع مقاومة نقل شحن ضئيلة، مما يبرز إمكانية rGO@MoO$_3$ كمرشح قوي لتطبيقات المكثفات الفائقة المتقدمة. قد تستكشف الأبحاث المستقبلية دمج الكالكوجينات المعدنية أو هياكل الكربون المضافة بالذرات الغريبة لتعزيز الخصائص الكهروكيميائية للمادة بشكل أكبر.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32926-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41492082
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Murugesan Periyasamy et al.
Primary Topic: Supercapacitor Materials and Fabrication
Overview
This research investigates the potential of transition metal oxides (TMOs), specifically MoO₃, as supercapacitor electrode materials, addressing their limitations due to structural degradation during Faradaic reactions. To enhance the stability and performance of MoO₃, the study explores the incorporation of carbonaceous materials, specifically reduced graphene oxide (rGO) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). The synthesized composites, MWCNT@MoO₃ and rGO@MoO₃, were characterized using various techniques, including XRD, FTIR, Raman spectroscopy, and BET analysis, revealing significant improvements in surface area and mesoporosity—81.14 m²/g for rGO@MoO₃ compared to 17.89 m²/g for pure MoO₃.
Electrochemical performance tests demonstrated that the rGO@MoO₃ nanocomposite outperformed both MWCNT@MoO₃ and pure MoO₃, achieving a specific capacitance of 490 F/g and maintaining 90.9% of its capacitance after 5000 cycles. The rGO@MoO₃ also exhibited an energy density of 36.04 Wh/kg and a power density of 677.2 W/kg at a current density of 1 A/g. The enhanced performance is attributed to the high surface area, mesoporous structure, and synergistic interactions between rGO and MoO₃, which facilitate ion transport and optimize charge storage. The findings suggest that rGO@MoO₃ is a promising candidate for next-generation supercapacitors, with potential for further enhancement through the integration of metal chalcogenides or heteroatom-doped carbon frameworks.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their experimental procedures. All chemicals were sourced from Merck, India, and were of analytical grade (AR). The specific chemicals mentioned include ammonium molybdate tetrahydrate \((NH_4)_6Mo_7O_{24} \cdot 4H_2O\), polyethylene glycol (PEG-3350), graphene oxide (99% purity), potassium hydroxide (KOH), and hydrochloric acid (HCl). Additionally, deionized water (DI) was consistently used throughout the experiments to ensure the purity and reliability of the results.
Results
The results indicate that the microstrain values for MoO₃, MWCNT@MoO₃, and rGO@MoO₃ increased, with dislocation densities calculated as 6.73 × 10⁻³ line/m², 5.71 × 10⁻³ line/m², and 5.64 × 10⁻³ line/m², respectively. Rietveld refinement analysis showed good correlation between observed and calculated data, with R factors aligning closely with previous studies. The presence of characteristic peaks in Raman spectra confirmed the successful integration of carbon-based materials into the MoO₃ matrix, enhancing its applicability in supercapacitor applications. The structural characteristics, including hexagonal plate-like structures of MoO₃ and the uniform distribution of rGO and MWCNTs, significantly improved electrochemical performance by facilitating rapid ion transport and enhancing conductivity.
Thermogravimetric analysis revealed that MWCNT@MoO₃ exhibited superior thermal stability compared to rGO@MoO₃ and pure MoO₃, with weight losses of 9.38%, 12.58%, and 12.65%, respectively, at 1000 °C. Electrochemical tests demonstrated that the rGO@MoO₃ electrode achieved the highest specific capacitance (Cₛₚ) of 491 F/g at 0.5 A/g, outperforming MWCNT@MoO₃ (452 F/g) and pure MoO₃ (380 F/g). The rGO@MoO₃ also maintained 90.9% of its initial capacitance after 5000 cycles, indicating exceptional cycling stability. The enhanced performance of rGO@MoO₃ is attributed to its high surface area, effective ion transport, and the synergistic effects of rGO, which improve electrical conductivity and facilitate charge transfer. Overall, the incorporation of carbon materials into MoO₃ significantly enhances its electrochemical properties, making it suitable for energy storage applications.
Discussion
In this study, the synthesis of pure MoO$_3$ and its nanocomposites with multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and reduced graphene oxide (rGO) was successfully achieved using a hydrothermal method. The process involved the careful preparation of precursor solutions, followed by autoclaving at 160 °C for 24 hours, resulting in nanoparticles that were subsequently purified and calcined. Structural characterizations using X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the orthorhombic structure of α-MoO$_3$ and the successful integration of carbonaceous materials without altering the crystalline phase. The crystalline sizes of the synthesized materials were determined, revealing an increase in size with the addition of MWCNTs and rGO.
Electrochemical evaluations demonstrated that the rGO@MoO$_3$ nanocomposite exhibited superior performance compared to MWCNT@MoO$_3$ and pure MoO$_3$, achieving a specific capacitance of 490 F/g and excellent cyclic stability, retaining 90.9% capacity after 5000 galvanostatic charge-discharge cycles. The enhanced electrochemical performance was attributed to the mesoporous structure and high surface area of rGO@MoO$_3$, which facilitated ion transport and charge storage. Furthermore, symmetric cell tests indicated promising energy and power densities, along with minimal charge-transfer resistance, underscoring the potential of rGO@MoO$_3$ as a resilient candidate for advanced supercapacitor applications. Future research may explore the integration of metal chalcogenides or heteroatom-doped carbon frameworks to further enhance the material’s electrochemical properties.