Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Eenstapssynthese van mesoporeuze, met chloor gedoteerde, koolzuurhoudende kobalthydroxide-nanodraden voor hoogwaardige supercondensatoren-elektrode

Abstract

Zelfgestabiliseerde en goed gedefinieerde met chloor gedoteerde koolzuurhoudende kobalthydroxide-nanodraden zijn verkregen als een bindmiddelvrije elektrode via een gemakkelijke methode. Het Co-materiaal heeft een unieke goed gedefinieerde naaldachtige structuur, samengesteld uit sterk uitgelijnd monomeer met een diameter van ongeveer 3-10 nm en talrijke oppervlakteporiën, waardoor het potentieel heeft voor krachtige elektrochemische condensatoren. De testresultaten tonen aan dat de direct verkregen Co-ClNWs(NiE)-elektrode in een systeem met drie elektroden de specifieke capaciteit van meer dan 2150 F/g kan bereiken onder de stroomdichtheid van 1 A/g, vergezeld van een goede cyclusstabiliteit van 94,3% capaciteitsbehoud na 500 cycli, en vertoont een hoge energiedichtheid van 41,8 W h/kg bij een vermogensdichtheid van 1280,7 W/kg bij gebruik als de positieve elektrode van een asymmetrische supercondensator. Na een vergelijking van het huidige materiaal met de conventionele elektroden, kunnen we ontdekken dat een betere elektrochemische prestatie kan worden bereikt met een handiger eenstapsmethode. Daarom kunnen we in dit werk een nieuw type fabricageconcept bieden voor toekomstige elektrodenbehandeling.

Inleiding

Als een soort apparaat voor energieopslag en -conversie heeft supercondensator enorme aandacht getrokken vanwege zijn snelle laad- en ontlaadsnelheid, hoge vermogensdichtheid, lange levensduur en hoge betrouwbaarheidsvoordelen [1, 2]. In de afgelopen jaren heeft het de tekortkoming van de traditionele energieopslag- en conversieapparatuur aangevuld in veel belangrijke toepassingen en prospectgebieden zoals militaire elektronische apparatuur, elektrische voertuigen, draagbare computers, enz. [3,4,5,6,7]. Over het algemeen kunnen supercondensatoren worden onderverdeeld in twee typen op basis van hun verschillende elektronenopslagmechanismen:traditionele elektrische dubbellaagse condensatoren (EDLC's) die energie opslaan door accumulatie van ladingen in de elektrische dubbellaag via elektrostatische interacties, en pseudocondensatoren die energie opslaan via Faradaic redox reactie aan het elektrode-oppervlak [8,9,10,11]. Van de verschillende pseudocapaciteitsmaterialen vertoont rutheniumoxide uitstekende elektrochemische prestaties, maar hoge kosten, lage porositeit en toxische aard beperken de commerciële toepassing ervan ernstig [12]. Daarom zijn sommige goedkopere en milieuvriendelijkere maar zeer capacitieve metaaloxiden/hydroxiden zoals NiO, Co3 O4 , Fe3 O4 , Fe2 O3 , V2 O5 , Co(OH)2 , en Ni(OH)2 zijn de meest veelbelovende kandidaten geworden [13]. Co(OH)2 , die de duidelijke voordelen vertoont van goed gedefinieerde omkeerbare redoxreacties met een hoge theoretische specifieke capaciteit, werd beschouwd als een bijzonder aantrekkelijk potentieel materiaal [14]. De studie constateert dat hoge capaciteitsprestaties worden weerspiegeld in een speciale morfologische structuur met een hoog specifiek oppervlak [6, 15,16,17,18]. Uit eerdere rapporten synthetiseerden Mahmood en zijn medewerkers met chloor gedoteerd koolzuurhoudend kobalthydroxide (Co(CO3 )0.35 Cl0,20 (OH)1.10 1.74H2 O) nanodraden met buitengewone capaciteit en uitstekende energiedichtheid, samen met hoge snelheid en stabiliteit. Men denkt dat zulke hoge capaciteiten en energiedichtheden worden toegeschreven aan de unieke structuur van de Co(CO3 )0.35 Cl0,20 (OH)1.10 nanodraden, waarvan de hydrofiele aard de bevochtigbaarheid van het elektrode-oppervlak aanzienlijk kan verbeteren, en het bestaan ​​van anionen die de tegenstructuur stabiliseren (Cl of/ en CO3 2− ) regelt effectief de polarisatie van de elektrode [19]. Geïnspireerd door de superioriteit van dergelijk werk, het vooruitzicht om de structurele en elektrochemische eigenschappen te optimaliseren door sommige elementen te doteren in Co(OH)2 is voorzien.

Tegelijkertijd beginnen de onderzoekers, om een ​​hoog specifiek oppervlak en andere speciale morfologie te verkrijgen, in structuur te innoveren [17, 20,21,22,23]. Wanneer actief materiaal aan het andere oppervlak van het elektrodemateriaal werd bevestigd, zou het een kern-schilstructuur van het pakket of een gelaagde driedimensionale structuur kunnen vormen, die het effect van het actieve materiaal en het elektrolyt-ioncontact zou kunnen garanderen bij het verbeteren van de reactie-efficiëntie. Shude Liu en zijn collega's hebben bijvoorbeeld een supercondensatorelektrode voorgesteld die bestaat uit een driedimensionale, zelfdragende hiërarchische MnCo-gelaagde dubbele hydroxiden@Ni(OH)2 [MnCo-LDH@Ni(OH)2 ] kern-schaal heterostructuur op geleidend nikkelschuim [24]. De resulterende MnCo-LDH@Ni(OH)2 structuur vertoonde een hoge specifieke capaciteit van 2320 F / g bij een stroomdichtheid van 3 A / g, en een capaciteit van 1308 F / g werd gehandhaafd bij een hoge stroomdichtheid van 30 A / g met een superieure lange levensduur. Vanwege de verschillende eigenschappen van materialen heeft de bereidingsmethode echter te maken gehad met de problemen van gecompliceerde werking, zware reactieomstandigheden en een laag slagingspercentage. Daarom is een handiger voorbereidingsmaatregel om uniforme en geordende elektrodematerialen met hoge elektrochemische prestaties te verkrijgen zeer gewenst [25].

In dit artikel worden de mesoporeuze, met chloor gedoteerde, koolzuurhoudende kobalthydroxide-nanodraden (Co-ClNW's) direct op het nikkelschuim gekweekt om de nikkelschuimelektrode (Co-ClNWs(NiE)) te bereiden door middel van een gemakkelijke eenstaps hydrothermische methode op basis van de prestatievoordelen van Co(OH)2 . De elektrochemische prestatietest wordt uitgevoerd met Co-ClNW's (NiE) direct als de werkelektrode, wat een belangrijke maatstaf is om zowel de specifieke capaciteit als de energiedichtheid te verbeteren voor een redelijke realisatie van de binnenste actieve plaatsen van de bulkmaterialen voor opslagenergie. Ondertussen wordt de prestatievergelijking uitgevoerd met de conventionele elektrode. Het biedt een haalbare referentiemethode voor het vergroten van de capaciteit en de toepassingsontwikkeling van Co-materialen, en biedt ook nieuwe ideeën voor de structuur en productie van condensatorindustrialisatie in de toekomst.

Methoden

Synthese van Co-ClNW's op Ni-schuim

Ni-schuim werd verkregen van Canrd Co., Ltd., China. Voor gebruik werd het 0,5 uur ultrasoon behandeld met 0,5 M HCl en vervolgens 12 uur gedroogd bij 80 ° C na wassen met een grote hoeveelheid gedeïoniseerd water en ethanol om oppervlakte-ionen te verwijderen. Alle andere chemicaliën waren van analytische kwaliteit en werden zonder verdere behandeling voor gebruik gekocht bij Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. in China.

Ten eerste 3,5 g CoCl2 ·6H2 O en 0,9 g CO(NH2 )2 werden opgelost in 100 ml gedeïoniseerd water onder magnetisch roeren, gedurende 30 minuten totdat de vaste stof volledig was gedispergeerd en opgelost. De verkregen homogene oplossing werd vervolgens overgebracht naar een roestvrijstalen autoclaaf met verschillende schone nikkelschuimen die waren vastgezet met roestvrijstalen clips (de kwaliteit van het nikkelschuim werd vooraf gemeten), waarbij ervoor werd gezorgd dat de nikkelschuimen volledig ondergedompeld zijn en bij 120 ° C met een thermische reactie van 20 uur. Na afkoeling tot kamertemperatuur werden de nikkelschuimen eruit gehaald en gewassen met gedeïoniseerd water om onzuiverheden die aan het oppervlak waren gehecht te verwijderen. Ten slotte werden de monsters in vacuüm geselecteerd en gedurende 10 uur in een oven gedroogd voor gebruik.

Materiaalkarakteriseringen

De structuren en morfologieën van de producten werden geanalyseerd met veldemissie scanning-elektronenmicroscopie (SEM MIRA3 TESCA) en transmissie-elektronenmicroscoop (TEM FEI Tecnai). Röntgendiffractiepatronen (XRD) werden verzameld met een SIEMENSD500-diffractometer met Cu Ka-straling (λ = 0.15056 nm). Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) werd uitgevoerd op ESCALAB 250 met Al Ka-straling om de chemische samenstelling en chemische valentietoestanden van de monsters te onderzoeken. N2 adsorptie-desorptie-isothermen werden verkregen door een ASAP 2020-instrument bij 77 K. De BET- en QSDFT-methoden werden respectievelijk gebruikt om de specifieke oppervlakten en de poriegrootteverdelingen van de materialen te bepalen.

Elektrochemische metingen

De Co-ClNWs(NiE)-elektrode is behandeld onder een druk van 8 MPa, met een geometrische oppervlakte, massabelasting en dikte van 1 cm −2 , 3 mg en 0,25 mm. respectievelijk. Om het elektrochemische gedrag van de (Co-ClNW's (NiE)) te karakteriseren, werd het elektrochemische werkstation CHI660E (Chenhua, Shanghai) gebruikt in een elektrochemische cel met drie elektroden met een Pt-tegenelektrode en een Hg/HgO-referentie-elektrode in 6 M KOH-oplossing . Tijdens het testen werden cyclische voltammetrie (CV), galvanostatische lading en ontlading (GCD) metingen waargenomen. Elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) werd getest door een wisselspanning aan te leggen met een amplitude van 5 mV in een frequentiebereik van 0,01 Hz tot 100 kHz bij een open circuitpotentiaal. De producten die in hetzelfde experiment werden verkregen, maar zonder op nikkelschuim te groeien, werden ook verzameld voor het verkrijgen van de werkende elektrodeplaten (Co-ClNWs(E)) gemaakt met de kleefmethode van polytetrafluorethyleen (PTFE). De specifieke capaciteit van de monsters werd berekend volgens Vgl.(1):

$$ C=\frac{I\times \Delta t}{\Delta V\times m} $$ (1)

waar C is de specifieke capaciteit (F/g), I is de stroom (A), Δt is de ontlaadtijd (s), ΔV is het potentiële venster (V), en m is de massa van de elektroactieve elektrode (g).

Bovendien werd een asymmetrische supercondensator met de Co-ClNWs(NiE) elektrode (positieve elektrode) en actieve kool (AC, negatieve elektrode) getest in een configuratie met twee elektroden. De optimale massaverhouding voor positieve elektrode tot negatieve elektrode werd berekend met de onderstaande vergelijking:

$$ {\mathrm{m}}_{+}/{\mathrm{m}}_{-}={\mathrm{C}}_{-}{\mathrm{V}}_{-}/{ \mathrm{C}}_{+}{\mathrm{V}}_{+} $$ (2)

waar m betekent de massa van actieve materialen, C vertegenwoordigt de gravimetrische specifieke capaciteit, en V is het potentiaalvenster (in de configuratie met drie elektroden). Om de elektrochemische prestaties te verkrijgen, werden de specifieke capaciteit, specifieke energiedichtheid en specifieke vermogensdichtheid van de cel respectievelijk berekend volgens:

$$ {C}_c=\frac{I\varDelta t}{m\varDelta U} $$ (3) $$ {E}_c=\frac{C_c\varDelta {U}^2}{2\times 3.6 } $$ (4) $$ {P}_c=\frac{E_c\times 3600}{\varDelta t} $$ (5)

waar ik (A) toont de laad-/ontlaadstroom, m (g) staat voor de totale actieve massa van de twee elektroden, Δt (s) betekent de ontlaadtijd, ΔU (V) is het potentiële venster, en C c (F g −1 ), E c (W h kg −1 ), en P c (W kg −1 ) zijn respectievelijk de specifieke capaciteit, energiedichtheid en vermogensdichtheid van de cel.

Resultaten en discussie

Karakterisering van de Co-ClNW's (NiE)

De SEM-afbeeldingen in Fig. 1 tonen de morfologie van de bereide Co-ClNW's op het nikkelschuim. In figuur 1a kunnen we duidelijk weten dat het nikkelschuimnet zelf een meerlagige structuur heeft. Het elektrodeligament gevormd door de driedimensionale structuur van het nikkelschuim lijkt sterk op dat van de spons, wat een natuurlijk kader vormt voor de groei van materialen [26]. Op de afbeelding is te zien dat het materiaal strak om het nikkelschuim zit. De vergroting van de afbeelding wordt weergegeven in figuur 1b, waaruit blijkt dat de naaldvormige materialen verspringen, wat aantoont dat de groeistructuur geen compressie van de ruimtestructuur veroorzaakt, maar een natuurlijke driedimensionale ruimteopening vormt. Deze onderscheidende structuur kan zorgen voor meer paden voor de instroom en reactie van de elektrolyt, wat gunstig is voor het elektrodemateriaal dat goed in contact staat met de elektrolyt [27]. In Fig. 1c, kijkend naar het materiaal dat op het oppervlak van nikkelschuim is gegroeid, zien we dat de materialen zoals de bloeiende bloemen met elkaar verbonden zijn, wat geleidend is voor snel elektronentransport, waardoor de snelheidsprestaties worden verbeterd en het energieverlies wordt verminderd. De vergroting in figuur 1d toont het oppervlak van het nikkelschuim met het materiaalskelet door hydrothermische vorming, en ze vertonen een verweven structuur van ordelijke verbinding, die een hecht geleidend netwerk vormt. Zoals we weten, heeft de elektrode die wordt verkregen door de PTFE-kleefmethoden de neiging om problemen te veroorzaken zoals ongelijkmatige coating en heeft niet de natuurlijke ruimtelijke structuur, wat gemakkelijk kan resulteren in een drastische vermindering van de beschikbare ruimte en specifiek oppervlak, vermindert het gebruik van experimentele materialen, en leidt uiteindelijk tot significante prestatieverschillen [28]. Ten opzichte van die elektrode lijdt het daarom geen twijfel dat de structuur van Co-ClNWs(NiE) het voordeel heeft de transmissieafstand van elektronen en ionen te verkorten, zodat de geleidbaarheid van het materiaal sterk wordt verbeterd, wat een goede bedding voor elektrochemische test [29].

een Gelaagde structuur van nikkelschuim (de afbeelding toont het materiaal dat aan het nikkelschuim is bevestigd). b Het uiterlijk van het materiaal waargenomen onder hoge vergroting. c De monomere bloemmorfologie. d Materiaalskelet gevormd op het oppervlak van geschuimd nikkel

Om de superioriteit van de Co-ClNWs(NiE)-elektrode verder te onderzoeken, wordt een SEM-test uitgevoerd nadat de elektrochemische test is voltooid. Zoals te zien is in figuur 2a, is het nikkelschuim na de extrusiebehandeling nog steeds hiërarchisch en wordt het oppervlak van het nikkelschuim nauw bedekt door het materiaal. Zoals we weten, worden uitsteeksels op micro-/nanometerschaal gefabriceerd op commercieel nikkelschuim (stroomcollector), dat de actieve sites kan verbeteren [30]. Een groter oppervlak van de stroomcollector betekent meer contactoppervlak tussen de stroomcollector en het actieve materiaal, wat het transport van elektronen en ionen tijdens elektrochemische reacties kan stimuleren. Een goede geleidbaarheid kan zorgen voor een uitstekende capaciteit voor de capaciteit voor de capaciteit onder hoge stroomdichtheden, zodat de slechte geleidbaarheid van het op Co-gebaseerde samengestelde materiaal grotendeels wordt verbeterd, wat wordt bevestigd door het feit dat veel meer naaldvormige nanodraden zijn ingebed in de tussenruimten van nikkelschuim bij hoge vergroting [31]. In figuur 2c, d, laat de vergrote afbeelding zien dat de nanodraden dicht op het raamwerk dat op het nikkelschuim is gevormd, zijn gerangschikt, zodat de substraatruimte volledig wordt gebruikt om de actieve materialen voor opslagenergie te benutten. Dit is een structureel voordeel dat Co-ClNWs(E) bereid door de PTFE-plakmethode niet bezit. De Co-ClNWs(NiE)-elektrodevoorbereidingsmethode biedt een bruikbare en haalbare benadering die de prestaties van het materiaal volledig kan stimuleren.

een SEM-beeld van de geteste Co-ClNWs(NiE)-elektrode. b SEM-beeld van het materiaal ingebed in de tussenlagen van nikkelschuim. c , d SEM-beelden van nauw uitgelijnde groei op het nikkelschuimskelet onder hoge vergroting

De TEM-foto's van Co-ClNWs-nanodraden (geschraapt van nikkelschuimproducten) worden getoond in figuur 3. De afbeelding in figuur 3a laat zien dat het geëxtraheerde materiaal goed naaldvormig blijft, wat behoort tot een enkele kristalstructuur zoals onthuld door de elektronendiffractie (SAED) patroon van de geselecteerde nanodraden in Fig. 3b. De naaldvormige nanodraden getoond in figuur 3c groeien ongeveer een paar micron lang met een diameter van ongeveer tientallen nanometers, wat wijst op een grote aspectverhouding. Uit de sterke vergroting van Co-ClNW's in Fig. 3d en Fig. 3e, het is gebleken dat het oppervlak van het materiaal nauw is uitgelijnd met het monomeer met een diameter van ongeveer 3-10 nm. De diepe diffusie van ionen in de kristallijne materialen is altijd als een complexe kwestie beschouwd, aangezien elektrolytische ionen niet door het materiaal kunnen diffunderen als de dikte van het kristallijne materiaal meer dan 30 nm is. In ons geval is de Co-ClNWs-structuur dus bevorderlijk voor de diffusie van de elektrolyt omdat de grootte van het materiële monomeer ongeveer 3-10 nm is, wat de diffusieafstand van de elektrolyt verkort en de lengte en weerstand van het reactiepad vermindert [ 32]. Deze factor maakt dominant effectief gebruik van al het materiaal in de Faradaïsche redoxreactie mogelijk. Bovendien zorgen deze rangschikkingen ervoor dat het materiaal een merkbaar mesoporeus uiterlijk vertoont, wat de opname van elektrolyt in de materialen aanzienlijk kan vergroten, aangezien de elektrolyte-ionen de ultrafijne poriën met de poriediameters van minder dan 2 nm niet kunnen binnendringen, hoewel deze poriën kunnen overeenkomen met een hogere specifieke oppervlakte. Duidelijk te zien in figuur 3d, is de poriegrootte van het materiaal groter dan 2 nm, wat tot de categorie van mesoporiën behoort en daarom geleidend is voor het elektrolyttransport [7]. Zoals te zien is in figuur 3f, wordt de afstand tussen de roosterranden berekend op ongeveer 0,508 nm, wat overeenkomt met 17,4° geïndexeerd met de XRD-piek eronder volgens de standaardkaart van Co(CO3 )0.35 Cl0,20 (OH)1.10 1.74H2 O (JDPS38-0547).

een TEM-afbeeldingen van Co-ClNW's. b SEAD-patroon van Co-ClNW's. ce TEM-afbeeldingen van Co-ClNW's bij hoge vergroting (die de mesoporeuze oppervlaktestructuur tonen in (d ), zijn de deeltjes compact gerangschikt om Co-ClNW's te vormen in (e )). v HRTEM-beelden van de Co-ClNW's

Afbeelding 4a toont het XRD-patroon van het materiaal waarbij alle pieken goed overeenkomen met de standaardkaart (JCPDS 38-0547), wat bevestigt dat de stoichiometrische samenstelling van nanodraad Co(CO3 is )0.35 Cl0,20 (OH)1.10 . Uit de XPS-scanspectra in figuur 4b blijkt dat de inhoud van Co, O, Cl en C verantwoordelijk is voor bijna alle elementen in het materiaal, wat de hoge zuiverheid aantoont. Het Co2p-kern-röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) -spectrum (figuur 4c) van de Co-ClNW's vertoont twee belangrijke pieken bij bindingsenergieën van 780,84 en 797,04 eV met een spin-energiescheiding van ca. 16 eV. Deze twee pieken komen overeen met Co2p3/2 en Co2p1/2 respectievelijk en gaan gepaard met twee duidelijke satellietpieken. De ionische toestand van het chloor kan ook worden afgeleid door de aanwezigheid van spin-orbit doubletten bij 199,60 en 198,10 eV die kunnen worden geïdentificeerd als Cl2p1/2 en Cl2p3/2 respectievelijk signalen (Fig. 4d).

een XRD-patroon, b XPS-enquêtespectrum, c hoge resolutie van Co 2p-spectrum, d hoge resolutie Cl 2p spectrum, e Raman-spectrum en f QSDFT poriegrootteverdeling (inzet:N2-absorptie/desorptie-isothermen) van Co-ClNW's

Om de samenstelling van de as-gesynthetiseerde Co-ClNW's (NiE) verder te verkrijgen, wordt het Raman-spectrum ervan geïllustreerd in het golfgetalbereik van 0 tot 2000 cm −1 en getoond in Fig. 4e. Vier Raman-banden voor Co-ClNW's (NiE) waargenomen op ongeveer 95, 813, 1045 en 1554 cm −1 kan worden toegewezen aan de buigmodus voor Cl-Co-Cl, Co-O-H-vervormingsmodus, -OH-vervormingsmodus en ν3 (CO3 ) 2− respectievelijk antisymmetrische rekmodus, wat suggereert dat de belangrijkste componenten in overeenstemming zijn met de bovenstaande tests [33,34,35]. De inzetfiguur in Fig. 4f toont de N2 adsorptie/desorptie-isotherm van Co-ClNWs(NiE), waarin een type IV-isotherm gekoppeld aan een duidelijke hystereselus van H3-karakters kan worden waargenomen, wat het bestaan ​​van een overvloedige distributie van meso- en macroporiën op de Co-ClNWs(NiE) aantoont, in consistentie met het resultaat door TEM en de poriegrootteverdeling in Fig. 4f. Deze poreuze structuur in termen van onderling verbonden meso- en macroporiën is geleidend voor het verschaffen van continue kanalen voor snelle en ongehinderde iondiffusie en zorgt zo voor een goede toegankelijkheid van ionen op de actieve plaatsen. Bovendien zijn er bijna geen microporiën in Co-ClNW's (NiE) vanwege bijna geen N2-volumeabsorptie onder de poriegroottes tussen 0 en 2 nm, wat verantwoordelijk is voor het lage specifieke oppervlak (ongeveer 5 m 2 /g) maar voor hoge kristalliniteit met rijke actieve sites bevestigd door XRD hierboven.

Elektrochemische prestatie van de Co-ClNWs(E)-elektrode

Het elektrochemische gedrag van Co-ClNW's (E) wordt onderzocht door CV en GCD in een cel met drie elektroden met een Hg / HgO-referentie-elektrode met 6 M KOH als waterige elektrolyt. Figuur 5a komt overeen met de CV-curve die is verkregen voor Co-ClNW's (E) met sweep-snelheden van 2, 5, 10 en 20 mv/s, waarin alle CV-curven vol zijn en een symmetrische redox-piek belichamen. Met de toename van de scansnelheid verschuift de piekpositie van de curve, wat aangeeft dat de capaciteitsprestaties afkomstig zijn van de reacties op het activiteitsmateriaal en dat het nikkelschuimnetwerk niet betrokken is bij de relevante chemische reacties. De laad- en ontlaadcurven van Co-ClNW's (E) bij verschillende stroomdichtheden worden getoond in figuur 5b, waarbij de typische kenmerken goed overeenkomen met de CV-curven. De specifieke capaciteit van het elektrodemateriaal bereikt 975, 950, 900, 825 en 640 F/g onder de stroomdichtheid van respectievelijk 1, 2, 3, 5 en 8 A/g. Ondanks de betere capacitieve eigenschappen is er een duidelijk significant verschil met Co-ClNW's (NiE), wat blijkt uit figuur 5c. Figuur 5d toont het EIS-spectrum van de Co-ClNWs(E)-elektrode, en het kan worden verkregen dat de Faraday-weerstand die wordt weerspiegeld door de diameter van de halve cirkel ongeveer 2 Ω is. Een dergelijke grote weerstand zal onvermijdelijk leiden tot een hoge belemmering van elektronen tijdens het ladingsopslagproces. In figuur 5e voeren we een CV-cyclustest uit op Co-ClNW's (E) en stellen vast dat het materiaal nog steeds een goede en volledige redoxcurve kan vertonen, wat aantoont dat het materiaal zijn eigenschappen behoudt na 500 testcycli. Na onderzoek van het elektrochemische gedrag van Co-ClNW's (E), ontdekken we dat Co-ClNW's het potentieel hebben om uitstekend capacitief materiaal te worden, en betere prestaties door het bevorderen van de toepassingssnelheid van actieve sites zullen worden weergegeven als op zoek naar een gemakkelijke en effectieve manier om de geleidbaarheid ervan te verbeteren.

een CV-curven van Co-ClNW's (E) bij verschillende scansnelheden. b Galvanostatische ladings- en ontladingscurven van Co-ClNWs(NiE) bij verschillende stroomdichtheden. c Vergelijking van ontladingscurven van twee elektroden. d De elektrochemische impedantiespectra van Co-ClNW's (E). e Vergelijking van CV-curven na 500 cycli van Co-ClNW's(E)

Elektrochemische prestatie van de Co-ClNWs(NiE)-elektrode

Om de optimalisatie van de Co-ClNWs(E)-elektrode te onderzoeken, worden CV-curven van Co-ClNWs(NiE) getest met dezelfde configuratie met drie elektroden en weergegeven in figuur 6a. Het kan worden waargenomen dat een volledige en nette curve wordt weergegeven, ongeacht het soort scansnelheden van 2, 5, 10 en 20 mV/s. Bovendien omvat elke curve een goede redoxsymmetrie, wat volledig aantoont dat het materiaal uitstekende pseudocapaciteitskenmerken heeft [36]. Naarmate de scansnelheid toeneemt, is er een verminderd effectief gebruiksoppervlak van het materiaal met een kleine verschuiving in de piek, wat resulteert in een afname van de elektrochemische prestatie als gevolg van de weerstand en polarisatie van het elektrodemateriaal [37, 38]. Bij hogere scansnelheden kunnen we concluderen dat Co-ClNWs (NiE) een hoge snelheid heeft omdat de redoxpieken van de materiële soorten nog steeds duidelijk zijn. Bovendien neemt de stroom toe naarmate de scansnelheden toenemen, wat het vermogen ervan bevestigt om ionen en elektronen efficiënter te geleiden. De belangrijkste reden voor de redoxpieken wordt voornamelijk toegeschreven aan de ladingsoverdracht tussen Co 2 + /Co 3 + ionen en de OH ionen in de elektrolyt die bij de reactie betrokken zijn [39]. Na bestudering van de literatuur [40] komen de redoxpieken overeen met de volgende reacties:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}\mathrm{Co}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2\kern0.5em +{\mathrm{OH}}^{-}\leftrightarrow \mathrm{CoOOH}\kern0.5em +\kern0.5em {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{e}^{-}\\ {}\mathrm{Co}\mathrm{OOH}\ kern0.5em +\kern0.5em {\mathrm{OH}}^{-}\leftrightarrow {\mathrm{CoO}}_2\kern0.5em +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\kern0. 5em +\kern0.5em {e}^{-}\end{array}} $$

een CV-curven van Co-Cl (NiE) bij verschillende scansnelheden. b Galvanostatische laad- en ontlaadcurve van Co-ClNWs(NiE) bij 1 A/g (inzet:GCD-curve van nikkelschuim met dezelfde stroom Co-ClNWs(NiE) bij 1A/g). c GCD-curven van Co-ClNW's (NiE) bij verschillende stroomdichtheden. d Lange cyclische prestaties en capaciteitsbehoud van Co-ClNW's (NiE) bij stroomdichtheden van 8 A/g. e Gemiddelde specifieke capaciteit bij verschillende ontlaadstroomdichtheden. v EIS-spectra van Co-ClNW's (NiE) voor en na elektrochemische test over het frequentiebereik van 100 kHz tot 10 mHz. g CV-curven van Co-ClNW's (NiE) en AC met een scansnelheid van 20 mV / s. u CV-curven van het als gefabriceerde Co-ClNWs(NiE)//AC ASC-apparaat bij verschillende scansnelheden en de bijbehorende GCD-curven (i ) met verschillende stroomdichtheden

Figuur 6b toont de GCD-curve van het materiaal bij een stroomdichtheid van 1 A/g. Het blijkt dat de vorm van de GCD-curve een duidelijk plateau heeft, wat bewijst dat het materiaal een redoxreactie ondergaat die overeenkomt met de CV-curven. Er kan worden waargenomen dat de spanning plotseling daalt vanwege de interne weerstand van het materiaal in het deel van de ontlaadcurve [41]. Bovendien kunnen we uit Fig. 6b en Fig. 5c ook afleiden dat de capaciteiten die worden vertoond door het optimale monster Co-ClNW's (NiE) hoger zijn dan die door de toevoeging van een enkele Co-ClNWs (E) en nikkelschuim, wat aantoont dat de combinatie van Co-ClNW's en nikkelschuim door directe groei heeft de promotiebijdragen om het ladingsopslagvermogen van de elektrode te verbeteren, wat betekent dat nikkelschuim niet alleen zelf capaciteit kan bieden, maar ook kan fungeren als ruggengraat om goed elektrisch contact en mechanisch contact te garanderen adhesie en verhoogt daardoor de benuttingsgraad van Co-ClNW's, zoals duidelijk te zien is in SEM-figuren in figuur 1. Figuur 6c geeft de GCD-curven bij verschillende stroomdichtheden, met een specifieke capaciteit van 2150 F/g bij een stroomdichtheid van 1 A /g (hoger dan die van veel recent gepubliceerde werken in tabel 1), wat overeenkomt met een ionspecifieke capaciteit van 4996 F/g van Co, wat een uitstekende ladingsopslagcapaciteit voor Co-ClNW's (NiE) laat zien [42]. Bovendien worden de snelheidsprestaties en de stabiliteit op lange termijn van de elektrode verder verkregen volgens de specifieke capaciteiten van de Co-ClNWs (NiE) -elektrode bij verschillende stroomdichtheden en gegeven in Fig. 6e. Hoewel de prestatie van de condensator afneemt, wordt de hoge vermogenskarakteristiek nog steeds vertoond. De specifieke capaciteiten van de condensatoren worden gehandhaafd op 1985, 1872, 1599 en 944 F/g bij stroomdichtheden van respectievelijk 2, 3, 5 en 8 A/g. De ontladingscapaciteit wordt getest in Fig. 6d voor meerdere cycli om de stabiliteit van Co-ClNW's (NiE) te testen, 94,3% van de specifieke capaciteit bij de initiële cyclus waarvan na 500 cycli kan worden gehandhaafd. In onze verdere test wordt echter de scheiding van actief materiaal van de elektrode waargenomen na 500 cycli, wat kan worden afgeleid van de structuurverandering van de bulkmaterialen die deelnemen aan de Faradaïsche redoxreactie, waardoor de onnauwkeurige berekening van de specifieke capaciteit op basis van de massa van Co-ClNW's onder een gegeven stroomdichtheid. Om zo'n verward probleem aan het licht te brengen, zal ons lopende werk daarom betrekking hebben op het volgen van de omkeerbaarheid van de elektrochemische spanningen die tijdens het fietsen zijn opgetreden. Zoals weergegeven in figuur 6f, bestaan ​​de elektrochemische impedantiespectra van het materiaal voor (MBT) en na (MAT) de test uit een halve cirkel in de eerste helft en een schuine streep in de tweede helft. Het is algemeen aanvaard dat de onderschepping van de reële as bij hoge frequentie de elektrolytweerstand en de contactweerstand tussen het actieve materiaal en de stroomcollector vertegenwoordigt [43]. De rechte lijn in het laagfrequente gebied wordt toegeschreven aan de ionendiffusieweerstand [30]. Het is te zien dat MBT een kleinere interceptiewaarde van de reële as heeft bij een hoge frequentie dan MAT, wat betekent dat MBT een relatief kleinere equivalente serieweerstand heeft. Bovendien kan worden waargenomen dat de rechte lijn voor MBT een hogere helling heeft dan die voor MAT, wat ook aangeeft dat MBT een betere iondiffusie kan vertonen. De helling van de twee in het laagfrequente gebied helt geleidelijk over naar de y -as, wat aangeeft dat de elektrolytionen snel kunnen diffunderen in de poriestructuur van het materiaal. De snelheidsregelende stap van de reactie kan worden bepaald volgens de elektrochemische reactie op het oppervlak van het elektrodemateriaal, zodat het elektrodemateriaal goede elektrische eigenschappen heeft.

Om het ladingsopslagvermogen van Co-ClNWs (NiE) in de praktijk verder te evalueren, werd een asymmetrische supercondensator (ASC) gefabriceerd die respectievelijk Co-ClNWs (NiE) en AC als positieve elektrode en negatieve elektrode gebruikt. Figuur 6g illustreert de CV-curven van Co-ClNW's (NiE) en AC gemeten in een systeem met drie elektroden met het potentiaalvenster van AC van -1 tot 0 V en Co-ClNW's (NiE) van 0 tot 0,6 V. Daarom is het is expected that the as-fabricated ASC can be worked to 1.6 V. As shown in Fig. 6h, the CV curves of ASC under different scan rates show a pair of apparent peaks, demonstrating the typical faradaic characteristics [44]. Additionally, a specific capacitance of 117.5 F/g can be obtained from the GCD curve at 1 A/g in Fig. 6i, in accordance with a high energy density of 41.8 W h/kg at the power density of 1280.7 W/kg, higher than many recently publicized works [45, 46]. When the current density is enlarged to 8 A/g, the ACS can still exhibited an energy density of 21.2 W h/kg under a high power density of 6397.3 W/kg. This result clearly suggests that the ACS with the Co-ClNWs(NiE) as positive electrode exhibits a high energy density without sacrificing the high power density though a bulk redox reaction is involved, reflecting a possible method to keep a high energy storage capability under fast charge and discharge processes.

Conclusion

In summary, a Co-ClNWs(NiE) electrode is fabricated via a facile one-step hydrothermal method. The active material Co-ClNWs is deposited on commercial nickel foam to form a free-standing supercapacitor electrode. After the optimization of the structure of the Co-ClNWs(E) electrode prepared by PTFE sticking method, the Co-ClNWs(NiE) electrode displays a high specific capacitance of 2150 F/g under the current density of 1 A/g, with a large energy density of 21.2 W h/kg under a high power density of 6397.3 W/kg even when the current density is up to 8 A/g. These results reveal that Co(CO3 )0.35 Cl0 .20 (OH)1.10 1.74H2 O NWs are very promising candidates for the next generation of energy storage devices. On this basis, the structural advantages of nickel foam make the active materials fully reflect the capacitive properties. The electrode design concept described in this paper makes it possible to develop high-energy supercapacitors.

Afkortingen

ASC:

Asymmetric supercapacitor

Co-ClNWs:

Chlorine-doped carbonated cobalt hydroxide nanowires

Co-ClNWs(E):

Co-ClNWs stuck on the nickel foam

Co-ClNWs(NiE):

Co-ClNWs grown on the nickel foam

CV:

Cyclische voltammetrie

EDLCs:

Electrical double-layered capacitors

GCD:

Galvanostatic charge and discharge measurements

MBT and MAT:

The electrochemical impedance spectra of Co-ClNWs(NiE) before and after cycling


Nanomaterialen

  1. Geactiveerde koolstofvezels met hiërarchische nanostructuur afgeleid van afval katoenen handschoenen als hoogwaardige elektroden voor supercondensatoren
  2. Eenvoudige synthese van SiO2@C-nanodeeltjes verankerd op MWNT als hoogwaardige anodematerialen voor Li-ionbatterijen
  3. Eenvoudige synthese van zilveren nanodraden met verschillende beeldverhoudingen en gebruikt als hoogwaardige flexibele transparante elektroden
  4. Op trifenylfosfine gebaseerd functioneel poreus polymeer als een efficiënte heterogene katalysator voor de synthese van cyclische carbonaten uit CO2
  5. Eenvoudige synthese van ultralange en dunne koperen nanodraden en de toepassing ervan op hoogwaardige flexibele transparante geleidende elektroden
  6. Tweedimensionale VO2 mesoporeuze microarrays voor krachtige supercondensator
  7. Humaat-geassisteerde synthese van MoS2/C-nanocomposieten via co-precipitatie/calcineringsroute voor hoogwaardige lithium-ionbatterijen
  8. De anionische oppervlakteactieve stof/ionische vloeistoffen geïntercaleerd gereduceerd grafeenoxide voor krachtige supercondensatoren
  9. Synthese en onderzoek van CuGeO3-nanodraden als anodematerialen voor geavanceerde natrium-ionbatterijen
  10. Eenvoudige synthese van met stikstof gedoteerde microporeuze koolstofbollen voor hoogwaardige symmetrische supercondensatoren
  11. Mesoporeuze siliciummicrosferen geproduceerd uit in situ magnesiothermische reductie van siliciumoxide voor hoogwaardig anodemateriaal in natrium-ionbatterijen