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Erschienen in: Journal of Materials Science 13/2024

19.03.2024 | Energy materials

Application of murexide as a capping agent for fabrication of magnetite anodes for supercapacitors: experimental and first-principle studies

verfasst von: Coulton Boucher, Dalue Tang, Igor Zhitomirsky, Oleg Rubel

Erschienen in: Journal of Materials Science | Ausgabe 13/2024

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Abstract

In this study, we investigate the effectiveness of murexide for surface modification of \(\textrm{Fe}_{3}\textrm{O}_{4}\) nanoparticles to enhance the performance of multiwalled carbon nanotube-\(\textrm{Fe}_{3}\textrm{O}_{4}\) supercapacitor anodes. Our experimental results demonstrate significant improvements in electrode performance when murexide is used as a capping or dispersing agent compared to the case with no additives. When murexide is used as a capping agent, we report a capacitance of 4.2 F cm\(^{-2}\) from cyclic voltammetry analysis with good capacitance retention at high scan rates. From impedance measurements, we reveal a substantial decrease in the real part of impedance for samples prepared with murexide, indicating easier charge transfer at more negative electrode potentials, and reinforcing the role of murexide as a capping agent and charge transfer mediator. Density functional theory is used to investigate interactions between the murexide adsorbate and the \(\textrm{Fe}_{3}\textrm{O}_{4}\) (001) surface, with a specific emphasis on adsorption strength, charge transfer, and electronic properties. This theoretical investigation uncovers a strong adsorption enthalpy of − 4.5 eV and allows us to identify the nature of chemical bonds between murexide and the surface, with significant charge transfer taking place between the \(\textrm{Fe}_{3}\textrm{O}_{4}\) surface and murexide adsorbate. The transfer of electrons from the \(\textrm{Fe}_{3}\textrm{O}_{4}\) surface to murexide is recognized as a vital component of the adsorption process. By examining the bonding nature of murexide on \(\textrm{Fe}_{3}\textrm{O}_{4}\), this research study uncovers insights and proposes a novel bonding configuration of murexide that incorporates a combination of bridging and chelating bonding.

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Zurück zum Zitat Serwar M, Rana UA, Siddiqi HM, Ud-Din Khan S, Ahmed Ali FA, Al-Fatesh A, Adomkevicius A, Coca-Clemente JA, Cabo-Fernandez L, Braga F, Hardwick LJ (2017) Template-free synthesis of nitrogen doped carbon materials from an organic ionic dye (murexide) for supercapacitor application. RSC Adv 7:54626–54637. https://doi.org/10.1039/C7RA10954GCrossRef Serwar M, Rana UA, Siddiqi HM, Ud-Din Khan S, Ahmed Ali FA, Al-Fatesh A, Adomkevicius A, Coca-Clemente JA, Cabo-Fernandez L, Braga F, Hardwick LJ (2017) Template-free synthesis of nitrogen doped carbon materials from an organic ionic dye (murexide) for supercapacitor application. RSC Adv 7:54626–54637. https://​doi.​org/​10.​1039/​C7RA10954GCrossRef
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Zurück zum Zitat Atay NZ, Varnali T (2002) A semi-empirical study on metal ion/murexide complexation. Turk J Chem 26:303–310 Atay NZ, Varnali T (2002) A semi-empirical study on metal ion/murexide complexation. Turk J Chem 26:303–310
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Zurück zum Zitat Bader RFW (1990) Atoms in molecules: a quantum theory. Oxford University Press, New YorkCrossRef Bader RFW (1990) Atoms in molecules: a quantum theory. Oxford University Press, New YorkCrossRef
Metadaten
Titel
Application of murexide as a capping agent for fabrication of magnetite anodes for supercapacitors: experimental and first-principle studies
verfasst von
Coulton Boucher
Dalue Tang
Igor Zhitomirsky
Oleg Rubel
Publikationsdatum
19.03.2024
Verlag
Springer US
Erschienen in
Journal of Materials Science / Ausgabe 13/2024
Print ISSN: 0022-2461
Elektronische ISSN: 1573-4803
DOI
https://doi.org/10.1007/s10853-024-09524-5

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