Cu0.5-xZnxMg0.5Fe2O4/CeO2/ZnFe2O4纳米复合材料：从结构完整性到能源与生物医学功能性的多领域突破

　　本综述系统阐述了新型纳米复合材料Cu0.5-xZnxMg0.5Fe2O4/CeO2/ZnFe2O4的合成策略与多功能特性。通过X射线衍射（XRD）、高分辨透射电镜（HR-TEM）等技术证实其晶体结构与相整合性，材料展现11-15 nm均匀粒径分布和超顺磁性（饱和磁化强度达25.91 emu/g）。电化学测试显示优异赝电容行为（比电容340 F/g at 1 A/g），生物相容性评估（MTT及活/死细胞染色）证实细胞存活率超80%，凸显其在能源存储（超级电容器）与生物医学领域的双重应用潜力。

　　

Highlight

本研究通过创新性合成策略成功制备出ZCMF@ZC1、ZCMF@ZC2和ZCMF@ZC3系列纳米复合材料，其独特的结构设计与多组分协同效应显著提升了电化学储能性能与生物相容性，为多功能纳米材料在能源与医疗领域的跨界应用提供了新范式。

Introduction

全球能源需求持续增长，化石燃料主导的能源体系加剧环境危机，亟需发展可持续的高性能储能技术。超级电容器（SCs）因快速充放电特性、长循环稳定性及高功率密度备受关注[1-6]。与传统电池依赖缓慢电化学反应不同，SCs主要通过静电机制储能，适用于可穿戴电子设备、电动汽车等需即时供能的场景[7-12]。然而其较低能量密度和有限工作电压窗口限制了广泛应用，当前研究重点在于开发能同步提升能量密度、功率输出和稳定性的新型纳米结构材料[13-18]。

尖晶石铁氧体基三元纳米复合材料为解决这些挑战提供了新思路。Cu_0.5-xZn_xMg_0.5Fe₂O₄（x=0.1–0.3）与CeO₂/ZnFe₂O₄的组合展现出协同增强效应：Cu/Mg置换可调控导电性与磁行为[19]，CeO₂提供卓越氧化还原活性与氧存储能力[20]，ZnFe₂O₄则增加电化学活性位点[21]。这种多相纳米结构同时解决了电容性能、能量密度和循环耐久性等瓶颈问题，并引入磁性响应功能。例如Omidi-Dargahi等人开发的MnCo₂O₄/g-C₃N₄/POAP三元复合材料在1 A/g电流密度下实现235.3 F/g比电容[22]；Shingte等人采用水热法构建的CS-CFO-rGO复合材料更达到1381 F/g的超高比电容[23]。

本研究创新性地提出可调锌含量（x=0.1–0.3）的三元纳米复合材料，通过精确控制晶体相与介孔结构，同步实现卓越赝电容性能与超顺磁性，并首次证实其在高性能储能与生物兼容磁性技术领域的双重应用价值。

Section snippets

Materials and method

补充信息提供了纳米复合材料合成过程、所用化学品及细胞培养流程的详细说明。

Characterization details

采用X射线衍射仪（XRD, PANalytical X'Pert Pro）分析材料晶体结构。通过场发射扫描电镜（FESEM, HITACHI SU8600）与透射电镜（TEM, TECHNAI G20）结合能量色散X射线光谱（EDS）研究元素组成与表面形貌。使用珀金埃尔默傅里叶变换红外光谱（FTIR）探究化学键特性。赛默飞X射线光电子能谱（XPS）用于分析元素化学状态与氧化态。比表面积与孔结构通过贝尔公司Brunauer–Emmett–Teller（BET）方法测定。磁性表征采用振动样品磁强计（VSM）。电化学性能通过循环伏安法（CV）与恒电流充放电（GCD）技术评估。

XRD study

ZCMF@ZC1、ZCMF@ZC2和ZCMF@ZC3样品的XRD图谱（图1）显示尖锐衍射峰，证实其结晶性。CeO₂特征峰位于28.5°（111）和33.5°（200），CuFe₂O₄特征峰出现在30.5°（220）和62.5°（440），MgFe₂O₄标志峰位于35.5°（311）与47.5°（331），ZnFe₂O₄则通过62.5°（440）和56.5°（511）峰位确认。所有样品均未检测到杂质峰，表明相纯度高且成功构建多相异质结构。

Conclusion

本研究成功合成并系统表征了ZCMF@ZC系列纳米复合材料。XRD与选区电子衍射（SAED）证实晶体结构与相整合性。元素分布图与EDS证明组分均匀分布。FTIR与BET揭示特征金属-氧键（M-O）、有机官能团存在及有益介孔结构。磁性测量表明所有样品具超顺磁性，ZCMF@ZC2表现最高饱和磁化强度（25.91 emu/g）。电化学测试显示显著赝电容行为，ZCMF@ZC2在1 A/g电流密度下实现340 F/g最高比电容。生物相容性评估通过MTT与活/死细胞染色证实所有材料维持80%以上细胞存活率，展现其在超级电容器电极材料与生物医学应用领域的巨大潜力。