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

Ontwerp van NiO Flakes@CoMoO4 Nanosheets Core-Shell-architectuur op Ni-schuim voor hoogwaardige supercondensatoren

Abstract

Als typische elektrodematerialen voor supercondensatoren zijn lage specifieke capaciteit en onvoldoende cyclische stabiliteit van overgangsmetaaloxiden (TMO's) nog steeds de problemen die moeten worden opgelost. Ontwerp van kern-schaalstructuur wordt beschouwd als een effectieve methode voor de voorbereiding van hoogwaardige elektrodematerialen. In dit werk, NiO flakes@CoMoO4 nanosheets/Ni-schuim (NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF) core-shell-architectuur werd geconstrueerd door een hydrothermische methode in twee stappen. Interessant is dat de CoMoO4 NS's worden verticaal gekweekt op het oppervlak van NiO-vlokken en vormen een tweedimensionale (2D) vertakte kern-schaalstructuur. De poreuze core-shell-architectuur heeft een relatief groot oppervlak, effectieve ionenkanalen en overvloedige redox-sites, wat resulteert in uitstekende elektrochemische prestaties. Als positieve elektrode voor supercondensatoren, NiO flakes@CoMoO4 NSs/NF core-shell architectuur vertoont uitstekende capacitieve prestaties in termen van hoge specifieke capaciteit (1097 F/g bij 1 A/g) en uitstekende fietsstabiliteit (97,5% na 2000 cirkels). De geassembleerde asymmetrische supercondensator (ASC) van NiO flakes@CoMoO4 NSs/NF//actieve koolstof (AC)/NF heeft een maximale energiedichtheid van 25,8 Wh/kg bij een vermogensdichtheid van 894,7 W/kg. De resultaten tonen aan dat NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektrode toont potentiële toepassingen in supercondensatoren en het ontwerp van 2D vertakte core-shell-architectuur maakt een ideale manier om hoogwaardige TMO-elektroden te verkrijgen.

Inleiding

Momenteel worden de vereisten voor hernieuwbare energiebronnen en energieopslagapparaten snel verhoogd met de snelle ontwikkeling van technologie en de sociale vooruitgang [1, 2]. De eigenschappen van een snelle laad-ontlaadsnelheid, een betere veiligheidsfunctie, een hoge vermogensdichtheid en een lange levensduur maken supercondensatoren een van de meest veelbelovende kandidaten voor traditionele energieopslagapparaten. Volgens het opslagmechanisme worden supercondensatoren over het algemeen ingedeeld in twee typen, waaronder elektrische dubbellaagse condensatoren (EDLC's) en pseudocondensatoren [3]. EDLC's slaan lading op door middel van elektrostatische adsorptie op het grensvlak van elektrode/elektrolyt. Pseudocondensatoren slaan energie op door de redoxreacties (of onderpotentiaalafzetting en intercalatie), die plaatsvinden op/nabij het oppervlak van elektrodematerialen [4, 5]. Daarin zijn de pseudocondensatoren de focus van onderzoek geworden vanwege de hogere energiedichtheid in vergelijking met EDLC's.

Overgangsmetaaloxiden (TMO's) zijn in overweging genomen als elektrodematerialen voor pseudocondensatoren vanwege de hoge theoriespecifieke capaciteit, de overvloedige natuur, lage kosten en milieuvriendelijk [6, 7]. Terwijl de verkregen experimentwaarde van specifieke capaciteit veel kleiner is dan de waarde van theoriespecifieke capaciteit vanwege het onvolledige gebruik van elektrodematerialen [8]. Bovendien vertoont de TMO-elektrode altijd onvoldoende stabiliteit tijdens het laad-ontlaadproces vanwege de continue verandering van het volume [9]. Meestal zijn er twee effectieve methoden om de bovengenoemde problemen op te lossen. Aan de ene kant is het direct aangroeien van elektrodematerialen op de collector gunstig om de vorming van "dood oppervlak" te voorkomen, wat leidt tot een verbetering van het gebruik [10]. Verder kan de collector blijkbaar de elektrische geleidbaarheid van de elektrode verbeteren. Aan de andere kant, geïnspireerd door kinetiek, wordt het ontwerp en de afstemming van microstructuren van elektrodematerialen beschouwd als een zinvol ideaal om de capacitieve prestaties te verbeteren. Onderzoekers hebben veel elektrodematerialen geconstrueerd met verschillende microstructuren [11]. Daarbij kunnen superieure capacitieve prestaties worden bereikt door het ontwerp van core-shell-architectuur. Dit kan worden toegeschreven aan het synergetische effect tussen bandstructuur en elektronische toestandsdichtheid van kern- en schaalmaterialen [12,13,14]. Bovendien versnellen de kernmaterialen de elektronenoverdrachtsnelheid en bieden de schaalmaterialen adequate elektrochemische redox-actieve plaatsen. De traditionele kern-schaalstructuur met "ei" -model heeft echter een significant defect dat de verpakte kernmaterialen niet effectief kunnen worden gebruikt vanwege de afscherming van de schaalmaterialen. Daarom is de verbetering van het gebruik van kernmaterialen van cruciaal belang voor de capacitieve prestaties van de kern-schaal TMO-elektrode.

In dit werk wordt een nieuwe tweedimensionale (2D) vertakte kern-schaalstructuur van NiO-vlokken@CoMoO4 nanosheets (NSs) werd geconstrueerd door een tweestaps hydrothermische methode om de genoemde nadelen op te lossen. Met betrekking tot deze nieuwe structuur, uniforme CoMoO4 NS's worden verticaal afgezet op de NiO-vlokken en vormen een kern-schilstructuur van vlokken-nanobladen. Deze 2D vertakte kern-schilstructuur heeft de volgende voordelen:ten eerste biedt de 2D vertakte kern-schilstructuur voldoende contactgebieden tussen elektrolyt- en elektrodematerialen, waardoor voldoende elektroactieve plaatsen worden verschaft; ten tweede de 2D-functie van NiO-vlokken en CoMoO4 NS's verbeteren de efficiëntie van het verzamelen van elektronen en verhogen de snelheid van de elektronenoverdracht, waardoor de voordelen in de kinetiek van elektronenoverdracht worden gegarandeerd; en ten derde, de diffusiekanalen gevormd door de interactie van CoMoO4 NS's versnellen de diffusie van elektrolyt, die heilzaam zijn voor het gebruik van kernmaterialen. Bovendien biedt de zeer poreuze architectuur tussenruimten voor het vrijgeven van spanning gevormd tijdens het laad-ontlaadproces, waardoor de fietsstabiliteit verder wordt gegarandeerd. Gezien de bovenstaande voordelen zijn de NiO flakes@CoMoO4 NSs/NF-elektrode vertoont uitstekende elektrochemische prestaties in termen van hoge specifieke capaciteit van 1097 F/g en lange cyclusstabiliteit (behoudt 97,5% van de oorspronkelijke specifieke capaciteit na 2000 cycli). De geassembleerde asymmetrische supercondensatoren (ASC's) van NiO flakes@CoMoO4 NSs/NF//AC/NF hebben een hoge energiedichtheid van 25,8 Wh/kg bij een vermogensdichtheid van 894,7 W/kg. De resultaten tonen aan dat NiO-vlokken@CoMoO4 NSs heeft potentiële toepassingen in apparaten voor energieopslag en het bouwen van een 2D-vertakte structuur maakt een ideale manier om hoogwaardige TMO's-elektrodematerialen te bereiken.

Sectie Methoden

Synthese van NiO-vlokken/NF

Alle chemicaliën die in dit werk werden gebruikt, werden gekocht bij Aladdin-reagens en direct gebruikt. Het voorbereidingsstroomdiagram van elektrodematerialen werd getoond in Fig. 1. Een stuk NF (1,5 × 3,5 cm 2 ) werd gedurende 2 uur ondergedompeld in 3 M HCl om de oxidelaag te verwijderen en gedurende 12 uur bij 60°C gedroogd. Vervolgens werd het voorbehandelde NF ondergedompeld in 32 ml gedestilleerd water en overgebracht in een roestvrijstalen autoclaaf van 40 ml. Vervolgens werd de autoclaaf afgesloten en 24 uur op 140°C gehouden en natuurlijk afgekoeld tot kamertemperatuur (stap 1). De producten werden meerdere keren gewassen met gedeïoniseerd water en 24 uur gedroogd in een vacuümkamer bij 60°C. Bovendien werden de bereide producten gedurende 2 uur gegloeid in een kwartsbuisoven bij 400 °C met een verwarmingssnelheid van 0,5 °C/min (stap 2).

De syntheseillustratie van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs-elektrode

Synthese van NiO Flakes@CoMoO4 NS/NF

Kobaltchloridehexahydraat (65,1 mg) (CoCl2 ·6H2 O) en natriummolybdaatdihydraat (50,8 mg) (Na2 MoO4 ·2H2 O) werden onder roeren gedispergeerd in 23 ml gedeïoniseerd water. Vervolgens werden de bereide NiO-vlokken / NF gedurende 30 minuten ondergedompeld in de genoemde oplossing en overgebracht in een roestvrijstalen autoclaaf van 40 ml. Daarna werd de autoclaaf 6 uur op 160°C gehouden en afgekoeld tot kamertemperatuur (stap 3). De producten werden gedurende 2 minuten ultrasoon behandeld in gedeïoniseerd water om de los geadsorbeerde chemicaliën te verwijderen en gedurende 12 uur in vacuüm bij 60 ° C gedroogd. Ten slotte, NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF werd verkregen door 2 uur calcineren bij 400 °C met een verwarmingssnelheid van 0,5 °C/min in een kwartsbuisoven (stap 4). CoMoO4 vlokken/NF werd volgens hetzelfde proces bereid met NF in plaats van NiO-vlokken/NF.

Kenmerken van materialen

De kristalstructuur van de producten werd gekarakteriseerd met behulp van röntgendiffractometer (XRD, Rigaku D/Max-02400) met behulp van Cu Kα straling (1.54056 Å) met het werkpotentiaal van 20 kV en buisstroom 30 mA. De veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM) beelden werden verkregen met de Ziess Gemini en Hitachi SU8100 bij een bedrijfsspanning van respectievelijk 5 kV en 3 kV. De waarnemingen met hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscoop (HRTEM) werden uitgevoerd op een JEM-2100F-apparatuur. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) gegevens werden opgenomen op een Thermo ESCALAB 250Xi-apparaat bij 200 kV. Het specifieke oppervlak en de porieverdeling van de producten werden verzameld door BELSORP-max met behulp van hoogzuiver N2 als het absorptiegas bij een temperatuur van 77 K.

Elektrochemische metingen

Alle elektrochemische tests werden uitgevoerd via een μIII Autolab-werkstation met een systeem met drie elektroden in 6 M KOH, inclusief verzadigd Ag/AgCl als referentie-elektrode, platinafolie (1 cm × 1 cm) als tegenelektrode en NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF (CoMoO4 vlokken/NF of NiO vlokken/NF) als werkelektroden (1 cm × 1 cm). De capacitieve prestatie werd geëvalueerd door middel van galvanostatische lading-ontlaad (GCD) en cyclische voltammetrie (CV) methoden. De elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) gegevens werden verzameld in het frequentiebereik van 100 kHz tot 0,01 Hz onder omgevingscondities. De massale belasting van NiO-vlokken op NF werd beredeneerd door de verloren H2 . te evalueren O in het ontbindingsproces van Ni(OH)2 , Verg. (1).

$$ m\left(\mathrm{NiO}\right)\kern0.5em =\kern0.5em \frac{M\left(\mathrm{NiO}\right)}{M\left({\mathrm{H} }_2\mathrm{O}\right)}\kern0.5em \times \kern0.5em m\left({\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\right) $$ (1)

Waar m en M vertegenwoordigen respectievelijk de massa van elk afzonderlijk materiaal en de relatieve molecuulmassa. De massale belasting van CoMoO4 NSs op NiO-vlokken / NF werd verkregen door het massaverschil te berekenen vóór de hydrothermische behandeling in de tweede stap en na de tweede post-calcinering. De massale belasting van CoMoO4 vlokken/NF werd berekend door het massaverschil voor en na de bereiding te evalueren. De massale belading van NiO-vlokken en CoMoO4 NS's direct op NF is 0,79 mg/cm 2 en 1,14 mg/cm 2 , respectievelijk. De massale belading van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF is 1,93 mg/cm 2 .

De elektrochemische prestatie van ASC's werd gemeten met behulp van een systeem met twee elektroden in 6 M KOH. Daarin, NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF, NiO-vlokken/NF en CoMoO4 vlokken/NF werden aangebracht als positieve elektroden. De negatieve elektroden werden gesynthetiseerd door het mengsel met commerciële actieve kool, acetyleenzwart en polytetrafluorethyleen (PTFE) (massaverhouding is 8:1:1) op het oppervlak van NF te gieten. De massa actieve kool (AC) wordt berekend volgens Vgl. (2) [15].

$$ \frac{m_{+}}{m_{-}}=\frac{C_{-}\times \varDelta {V}_{-}}{C_{+}\times \varDelta {V}_{ +}} $$ (2)

Waar C (F/g) is de specifieke capaciteit, ∆V (V) is het spanningsvenster, en m (g) is de massa van elektrodematerialen.

Resultaten en discussie

Karakteriseringen

De fasestructuur van de bereide monsters werd bevestigd door XRD. Zoals getoond in figuur 2a, kunnen de twee sterke diffractiepieken op 44,3 ° en 51,7 ° worden toegewezen aan het kenmerk van Ni (JCPDS nr. 65-0380). Na de eerste stap hydrothermische behandeling werden reeksen nieuwe diffractiepieken onderzocht in curve a. De significante pieken kunnen worden geïndexeerd op de standaardkaart van JCPDS nr. 01-1047, wat wijst op de vorming van hexagonale β -Ni(OH)2 op NF. Na de warmtebehandeling bij 400 °C worden nieuwe diffractiepieken waargenomen in curve b; de gevormde nieuwe pieken worden toegeschreven aan NiO (JCPDS nr. 65-2901), wat wijst op de ontbinding van β -Ni(OH)2 . Kromme c geeft het XRD-patroon van eindproducten weer. Afgezien van de diffractiepieken van NiO, komen de pieken bij 26,5°, 29,1°, 32,1°, 33,7° goed overeen met (002), (310), (\( \overline{1}31 \)), en (\( \overline{2}22 \)) kristalvlakken van CoMoO4 , respectievelijk [16,17,18], wat wijst op de succesvolle voorbereiding van CoMoO4 NSs op NiO-vlokken/NF. Bovendien worden er geen diffractiepieken van onzuiverheden onderzocht voor alle monsters, wat de zuiverheid van de producten aantoont.

een De XRD-patronen van Ni(OH)2 vlokken/NF (curve a), NiO flakes/NF (curve b) en NiO flakes@CoMoO4 NSs/NF (kromme c). De XPS-spectra van NiO-vlokken@CoMoO4 NS/NF. b Enquête. c Co 2p. d Mo 3d. e Ni 2p. v O 1 s

XPS-metingen werden uitgevoerd om de elementcomponent en chemische valentie van de producten verder te bepalen. Het onderzoeksspectrum weergegeven in Fig. 2b bevestigt het bestaan ​​van Co, Mo, Ni en O in de eindproducten van NiO@CoMoO4 /NF. Zoals weergegeven in figuur 2c, is het spectrum met hoge resolutie van Co 2p verdeeld in twee grote pieken van 781,3 eV en 797,4 eV, die kunnen worden aangepast aan Co 2p3/2 en Co 2p1/2 , respectievelijk [19]. Bovendien zijn de twee pieken die zich aan de zijde met hoge bindingsenergie van de belangrijkste pieken bevinden, de overeenkomstige satellietpieken. Het Mo 3d-spectrum in Fig. 2d is verdeeld in twee pieken van Mo 3d5/2 (232.2 eV) en Mo 3d3/2 (235.4 eV), wat aangeeft dat het Mo-element bestaat in de vorm van Mo 6+ oxidatietoestand [20]. Het spectrum met hoge resolutie van Ni 2p (Fig. 2e) wordt duidelijk gekenmerkt door twee pieken van Ni 2p3/2 en Ni 2p1/2 bij de bindingsenergieën van respectievelijk 856,1 eV en 873,7 eV [21]. Evenzo worden de andere twee pieken die zich aan de kant van de hoge energie bevinden, algemeen beschouwd als satellietpieken. Zoals weergegeven in figuur 2f, is het spectrum met hoge resolutie van O 1 s verdeeld in drie oxidatietoestanden van O1, O2 en O3. O1-piek op 530,7 eV kan worden toegeschreven aan roosterzuurstof in de CoMoO4 . O2-piek bij 531,5 eV wordt toegeschreven aan metaal-zuurstofbinding in NiO. O3-piek bij bindingsenergie van 532,8 eV wordt geassocieerd met multipliciteit moleculair water geadsorbeerd op de producten [19]. In combinatie met XRD-analyse bevestigen de resultaten van XPS de succesvolle synthese van NiO/CoMoO4 fase op NF.

Zoals afgebeeld in Fig. 3a, veel Ni(OH)2 vlokken werden gevormd na de hydrothermische behandeling van NF in gedestilleerd water. De vlokken interageren met elkaar en construeren een 3D poreuze architectuur. Honderden nanometers zijn duidelijk onderzocht tussen vlokken, waardoor er voldoende ruimte is voor de verdere groei van CoMoO4 NS's (Fig. 3b). In figuur 3c vertoont de morfologie van de vlokken bijna zeshoekige kenmerken met een randlengte van ongeveer 1-2 m en een dikte van 30 nm. Na warmtebehandeling heeft de globale morfologie van de vlokken geen significante verandering (Fig. 3d-f). De NiO-vlokken hebben echter overvloedige poriën op het oppervlak (figuur 3f), wat wijst op mesoporeuze kenmerken. De gevormde poriën kunnen worden toegeschreven aan het verlies van water in het warmtebehandelingsproces. De poreuze structuur heeft een groot specifiek oppervlak en versnelt de diffusie van elektrolyt, wat de elektrochemische kinetiek ten goede komt [22]. Na de tweede hydrothermische behandeling wordt de dikte van de vlokken blijkbaar dikker (Fig. 3g). Vast CoMoO4 NS's worden afgezet op de beide zijden en bovenkant van de vlokken (figuur 3h), waardoor een vertakte poreuze kern-schaalarchitectuur wordt geconstrueerd. De 2D vertakte kern-schil vlokken hebben een breedte van 200-400 nm, wat veel groter is dan die van NiO vlokken. De CoMoO4 NS's hebben een breedte van ongeveer 100 nm en een dikte van ongeveer 20-35 nm. De gedeponeerde CoMoO4 NS's bieden meer actieve sites voor Faraday-reacties en bevorderen de elektronische verzameling en overdrachtssnelheid, wat kan resulteren in uitstekende capacitieve prestaties. Aan de andere kant, de grootte van CoMoO4 gekweekt op NF (aanvullend bestand 1:Afbeelding S1) is aanzienlijk groter dan de grootte van CoMoO4 NS's op NiO-vlokken, wat bewijst dat NiO-vlokken de grootte van CoMoO4 kunnen coördineren vlokken tijdens het hydrothermische proces.

De SEM-afbeeldingen van ac Ni(OH)2 vlokken/NF, df NiO-vlokken/NF, en gik NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF met verschillende vergrotingen

Om de morfologie en structuur van de producten verder te onderzoeken, werden verschillende stalen gestript door middel van ultrageluid en onderzocht door HRTEM. Zoals weergegeven in Fig. 4a, Ni(OH)2 voorbeeld toont belangrijke 2D-functie. De roosterafstand waargenomen in figuur 4b (0,27 nm) komt overeen met (100) vlak van Ni(OH)2 (JCPDS-nr. 01-1047). Na calcinering behoudt het NiO-monster nog steeds een velachtige morfologie (figuur 4c). Bovendien zijn op de vlokken duidelijk poriën te zien. Er wordt gespeculeerd dat de vorming van poriën wordt veroorzaakt door het verlies van water. Figuur 4d toont de roosterafstanden van 0,242 nm en 0,148 nm, die respectievelijk kunnen worden toegeschreven aan het kristalvlak van (111) en (220) van NiO (JCPDS nr. 65-2901). Het geselecteerde gebiedselektronendiffractiepatroon (SAED) demonstreert de monokristallijne aard van de NiO-vlokken (aanvullend bestand 1:figuur S2a). Uit Fig. 4e is het duidelijk dat CoMoO4 NS's worden verticaal gekweekt op het oppervlak van NiO-vlokken en de nanosheets hebben een dikte van 25-35 nm. Het SAED-patroon in aanvullend bestand 1:figuur S2b onthult polykristallijn kenmerk van CoMoO4 vlokken. De kristalroosterafstanden gemeten in Fig. 4f (0,199 nm en 0,196 nm) zijn gecorreleerd met het kristallografische vlak (\( \overline{4} \)03) en (\( \overline{5} \)11) van CoMoO4 , respectievelijk (JCPDS nr. 21-0868).

HRTEM-afbeeldingen van a , b Ni(OH)2 vlokken, c , d NiO-vlokken, e , v NiO-vlokken@CoMoO4 NS'en; gik zijn de stikstofadsorptie-desorptie-isothermen van Ni(OH)2 vlokken/NF, NiO vlokken/NF en NiO vlokken@CoMoO4 NSs/NF, respectievelijk. Inzet van (gik ) zijn de corresponderende poriegrootteverdelingen

De N2 adsorptie/desorptie isotherme krommen worden gewoonlijk gemeten om het specifieke oppervlak en de porositeit van de producten te beoordelen. Zoals weergegeven in Fig. 4g, is het specifieke oppervlak van Ni(OH)2 vlokken/NF wordt berekend als 28,2 m 2 /g, en de NiO-vlokken/NF die na calcineren worden verkregen, is 45,3 m 2 /g (Fig. 4h). De toename van het oppervlak is gecorreleerd met de vorming van de poriën op NiO-vlokken (figuur 4c). Verder zijn de NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF heeft een veel grotere waarde van 53,5 m 2 /g dan NiO-vlokken/NF. De verdere toename van het oppervlak kan worden toegeschreven aan de vorming van diffusiekanalen geconstrueerd door CoMoO4 NS'en. Bovendien zijn alle N2 adsorptie/desorptie isotherme curven behoren tot het type IV hysterese, wat een mesoporeuze eigenschap van de producten aantoont [23,24,25]. De gemiddelde poriediameters van Ni(OH)2 vlokken/NF, NiO vlokken/NF en NiO vlokken@CoMoO4 NSs/NF zijn respectievelijk 6,13 nm, 6,57 nm en 4,16 nm. Het grotere specifieke oppervlak en de kleinere poriënverdeling zijn gunstig voor de toename van actieve plaatsen en de bevordering van elektrolytdiffusie, wat leidt tot verbeterde elektrochemische prestaties [22].

De elektrochemische prestatie van NiO@CoMoO4 /NF

De elektrochemische prestaties van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF wordt geëvalueerd als een positieve elektrode voor supercondensator. De berekeningsformule van specifieke capaciteit (Cs ) wordt weergegeven in Vgl. (3) [26]:

$$ {C}_s=\frac{i\varDelta t}{mV} $$ (3)

Waar m is de massa van actieve materialen, V is het potentiële venster, i is de huidige, en ∆t is de ontlaadtijd.

Om betere capacitieve prestaties te bereiken, NiO flakes@CoMoO4 NSs/NF verkregen bij verschillende reactietijden (2 uur, 4 uur, 6 uur, 8 uur) werden gemeten met GCD bij 1 A/g. Zoals te zien is in figuur 5a, neemt de specifieke capaciteit toe met de toename van de reactietijd tot 6 uur. De specifieke capaciteit neemt echter sterk af wanneer de reactietijd 8 uur bereikt. Bovendien worden de GCD-curven van de verschillende monsters (2 uur, 4 uur en 8 uur) weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3. Gecombineerd met de morfologische waarnemingen getoond in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4, kan de initiële toename van specifieke capaciteit worden toegeschreven aan de massale toename van CoMoO4 NS's en de constructie van 2D vertakte kern-schaalarchitectuur op het oppervlak van NiO-vlokken. Wanneer de reactietijd 8 uur bereikt, wordt de vertakte core-shell-architectuur bijna gedekt door de kleine CoMoO4 NS's, wat leidt tot problemen in de elektrochemische kinetiek. Het product dat na 6 uur wordt verkregen, biedt dus de beste capacitieve prestaties. Daarnaast werd de selectiviteit van 160 °C ook besproken in Aanvullend bestand 1:Figuur S5.De elektrochemische prestatie van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF (6 h) werd verder onderzocht in vergelijking met NiO-vlokken/NF en CoMoO4 vlokken/NF. De CV-curven van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF (6 u), NiO-vlokken/NF en CoMoO4 vlokken / NF werden weergegeven in Fig. 5b. Het is algemeen bekend dat het ingekapselde oppervlak van CV-curven evenredig is met de specifieke capaciteit van elektrodematerialen. Zoals weergegeven in figuur 5b, kan het CV-ingekapselde gebied van NF worden genegeerd in vergelijking met andere drie elektroden, wat wijst op een kleine bijdrage van NF. De CV-curve van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF (6 h) toont grootste ingekapselde oppervlakte vergeleken met NiO-vlokken/NF en CoMoO4 vlokken/NF, met de hoogste specifieke capaciteit. Evenzo is de CoMoO4 vlokken/NF-elektrode heeft een hogere specifieke capaciteit dan NiO-vlokken/NF. Zoals weergegeven in Fig. 5c, de symmetrische GCD-curve en langere ontlaadtijd van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektrode getuigen van een uitstekende coulomb-efficiëntie en hogere specifieke capaciteit in vergelijking met andere twee elektroden onder 1 A/g. Bovendien, CoMoO4 vlokken/NF-elektrode hebben een langere ontladingstijd dan NiO-vlokken/NF-elektrode, wat een hogere specifieke capaciteit aantoont. De resultaten van figuur 5c komen overeen met de analyse van CV-curven. Afbeelding 5d toont de CV-curven van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF (6 uur) bij verschillende scansnelheden. Blijkbaar worden redoxpieken waargenomen in de reeks CV's, wat pseudocapacitieve kenmerken van NiO-vlokken onthult@CoMoO4 NSs/NF (6 uur). De CV-curve behoudt nog steeds een goed gedefinieerde omtrek bij een hoge scansnelheid, wat een zeer efficiënte ionische en elektronenoverdrachtssnelheid aantoont. Dienovereenkomstig zijn de CV-curven van NiO-vlokken/NF en CoMoO4 flakes/NF vertonen ook typische pseudocapacitieve kenmerken (aanvullend bestand 1:Afbeelding S6a, b). Het ladingsopslagmechanisme kan worden geassocieerd met de redox van metaalsamenstelling in alkalische oplossing [27, 28]:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}3{\left[\mathrm{Co}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3\right]}^{-}\leftrightarrow {\mathrm {Co}}_3{\mathrm{O}}_4+4{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{\hbox{-} }+2{\mathrm{e }}^{\hbox{-}}\\ {}{\mathrm{Co}}_3{\mathrm{O}}_4\kern0.5em +\kern0.5em {\mathrm{H}}_2\mathrm{ O}\kern0.5em +\kern0.5em {\mathrm{O}\mathrm{H}}^{\hbox{-}}\leftrightarrow 3\mathrm{CoOOH}\kern0.5em +\kern0.5em {e }^{-}\\ {}\mathrm{CoOOH}\kern0.5em +\kern0.5em {\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}\leftrightarrow {\mathrm{Co}\mathrm{ O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{e}^{-}\\ {}\mathrm{NiO}\kern0.5em +\kern0.5em {\mathrm{O}\ mathrm{H}}^{-}\leftrightarrow \mathrm{NiOOH}\kern0.5em +\kern0.5em {\mathrm{e}}^{-}\end{array}} $$

een GCD-curven van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektroden verkregen bij verschillende reactietijden (2 uur, 4 uur, 6 uur en 8 uur) bij een stroomdichtheid van 1 A/g. b CV-curven van NiO-vlokken/NF, CoMoO4 vlokken/NF en NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektroden met een scansnelheid van 100 mV/s. c GCD-curven van NiO-vlokken/NF, CoMoO4 vlokken/NF en NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektroden bij een stroomdichtheid van 1 A/g. d CV-curven van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektrode bij verschillende scansnelheden. e GCD-curven van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektrode bij verschillende stroomdichtheden. v Het schematisch diagram van structurele voordelen voor NiO-vlokken@CoMoO4 NS/NF. g Cyclusstabiliteit van verschillende elektroden tot 2000 cycli. u EIS-spectra van NiO-vlokken/NF, CoMoO4 vlokken/NF en NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektroden

De specifieke capaciteit van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF is voornamelijk afgeleid van de quasi-reversibele redox van Co 2+ /Co 3+ en Ni 2+ /Ni 3+ en Mo is niet betrokken bij de redoxreactie. Bovendien wordt de piekstroom van CV lineair verhoogd met de zwaaisnelheid, wat illustreert dat de typische polarisatie van de elektrode het elektrochemische kinetische proces regelt [29]. De GCD-curven van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs / NF-elektrode bij verschillende laad-ontlaadstromen worden getoond in Fig. 5e. De NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektrode heeft specifieke capaciteiten van 1097 F/g, 981 F/g, 734 F/g, 504 F/g en 262 F/g bij stroomdichtheden van 1 A/g, 2 A/g, 5 A/ g, respectievelijk 10 A/g en 20 A/g. Dienovereenkomstig zijn de overeenkomstige specifieke capaciteiten van CoMoO4 vlokken/NF (aanvullend bestand 1:Afbeelding S6c) en NiO-vlokken/NF (Aanvullend bestand 1:Afbeelding S6d) zijn 349 F/g, 316 F/g, 248 F/g, 182 F/g, 116 F/g, en respectievelijk 173 F/g, 160 F/g, 139 F/g, 116 F/g, 80 F/g. Blijkbaar, NiO vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektrode heeft een hogere specifieke capaciteit dan de afzonderlijke NiO-vlokken/NF en CoMoO4 vlokken/NF-elektroden, die een synergetisch effect aantonen tussen NiO-vlokken en CoMoO4 NS'en. Zoals geïllustreerd in Fig. 5f, de gesynthetiseerde 2D-vertakking van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-composiet biedt gunstige kinetische omstandigheden in termen van effectieve ionentransportkanalen, korte ionendiffusieafstand, snelle ladingsoverdrachtsnelheid en overvloedige redox-actieve sites, wat resulteert in uitstekende capacitieve prestaties [30].

De levensduur als een van de belangrijkste factoren voor supercondensatoren werd gemeten door 2000 cycli GCD uit te voeren bij een stroomdichtheid van 2 A/g. Figuur 5g laat zien dat de NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektrode behoudt nog steeds 97,5% van de oorspronkelijke specifieke capaciteit. De specifieke capaciteit van NiO-vlokken/NF en CoMoO4 vlokken/NF-elektroden nemen af ​​tot respectievelijk 82,4% en 70% van hun oorspronkelijke capaciteit. De 2D vertakte poreuze structuur biedt voldoende ruimte, wat gunstig is voor de effectieve spanningsrelaxatie van volumeverandering tijdens het cyclusproces, wat resulteert in uitstekende fietsstabiliteit.

Ten slotte werden de EIS-spectra van de onderzochte elektroden gemeten en werd het equivalente schakelschema geïllustreerd als een inzet. Zoals weergegeven in figuur 5h, vertonen alle spectra een duidelijke halve cirkel bij hoge frequentie en een lineair gebied in het lage frequentiebereik. Het snijpunt met de x -as en halve cirkelradius vertegenwoordigen de equivalente serieweerstand (R s ) en ladingsoverdrachtsweerstand (R ct ) respectievelijk op de elektrode-interface. De helling van het lineaire gebied komt overeen met de massadiffusieweerstand (Z w ). Zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Tabel S1, de NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektrode heeft een lagere R s en R ct (0,4 Ω, 0,21 ) dan die van CoMoO4 vlokken/NF (0,58 Ω, 0,93 ) en NiO vlokken/NF (0,48 Ω, 0,72 ). Het is duidelijk dat de NiO@CoMoO4 /NF-elektrode biedt aanzienlijke voordelen in de kinetiek van elektronenoverdracht, wat potentiële toepassingen aantoont als een ideaal elektrodemateriaal voor supercondensatoren.

De prestaties van NiO Flakes@CoMoO4 NSs/NF//AC/NF

Om de praktische toepassingen van NiO-vlokken te demonstreren@CoMoO4 NSs / NF-composietelektrode, werd een ASC geassembleerd in 6 M KOH volgens de illustratie in Fig. 6a. In de ASC, NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF werd gebruikt als de positieve elektrode in combinatie met commerciële AC als de negatieve elektrode. Zoals te zien is aan de CV-metingen in Fig. 6b, heeft de AC-elektrode een rechthoekig kenmerk en de NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF-elektrode vertoont significante redoxpieken, wat typische elektrochemische opslagmechanismen van respectievelijk EDLC en pseudocapacitief onthult. Bovendien kan een potentiaalvenster tot wel 1,8 V worden bereikt door de combinatie van positieve en negatieve elektroden. De CV-curven van NiO-vlokken@CoMoO4 NSs/NF//AC/NF ASC bij verschillende scansnelheden werden uitgezet in figuur 6c. De ASC kan nog steeds worden gefietst met een goed gedefinieerde vorm, zelfs bij hoge scansnelheid, wat wijst op gunstige kinetiek in elektronenoverdracht en ionentransport. GCD-curven van de ASC bij verschillende stroomdichtheden van 1 tot 5 A/g werden opgenomen in figuur 6d. De energiedichtheid en vermogensdichtheid van de ASC werden berekend door vergelijkingen te volgen. (4) en (5), respectievelijk [31]:

$$ E=\frac{1}{2\times 3.6}{C}_s\varDelta {V}^2 $$ (4) $$ P=\frac{E\times 3600}{\varDelta t} $$ (5)

een The structure illustration of the ASC device. b CV curves of NiO flakes@CoMoO4 NSs/NF and AC in three-electrode system. c CV curves of the ASC device at different scan rates. d GCD curves of the ASC device at different current densities. e Ragone plots of the ASC and the comparation with other reported NiO or CoMoO4 elektroden. v Cycling stability of the ASC device over 3000 cycles at a current density of 5 A/g. Inset is the SEM images before and after cycling

Where E is the energy density, P is the power density, C s is the specific capacitance, ΔV is the potential window, and Δt is the discharge time. As shown in the Ragone plot (Fig. 6e), the NiO flakes@CoMoO4 NSs/NF//AC/NF ASC presents a maximum energy density of 25.8 Wh/kg at power density of 894.7 W/kg and a high energy density of 16.8 Wh/kg is still retained even at high power density of 4500 W/kg. As displayed in the inset of Fig. 6e, a single red LED was lighted and lasted 10 min by 1.93 mg (1 cm × 1 cm) electrode materials. The maximum energy density is higher than the individual NiO/NF//AC/NF (12.9 Wh/kg, Additional file 1:Figure S7a) and CoMoO4 flakes/NF//AC/NF (22.8 Wh/kg, Additional file 1:Figure S7b), further confirming the synergistic effect between NiO flakes and CoMoO4 NSs. Compared with other NiO or CoMoO4 -based electrodes, the NiO@CoMoO4 /NF//AC/NF ASC exhibits higher energy density [32,33,34,35,36,37,38,39]. The cycle life of the ASC was evaluated by repeating GCD measurement at 5 A/g for 3000 cycles. As shown in Fig. 6f, the capacitance retains 100% compared with its original value after 3000 cycles. As shown in the inset of Fig. 6f, the morphology structure presents little difference before and after the cycling, demonstrating excellent cycle stability of the electrode materials.

Conclusion

In summary, NiO flakes@CoMoO4 NSs core-shell architecture was successfully fabricated by a two-step hydrothermal method. As a positive electrode for supercapacitors, NiO flakes@CoMoO4 NSs/NF electrode exhibits remarkable electrochemical properties, including high specific capacitance of 1097 F/g, low charge transfer resistance of 0.21 Ω, and excellent long-term cycling stability (retains 97.5% of its original value after 2000 cycles). The high specific surface area, effective ions transport channels, and accelerated electron collect/transfer rate are responsible for the prominent electrochemical performance. The assembled ASC device exhibits a distinguished energy density of 25.8 Wh/kg at power density of 894.7 W/kg. Simultaneously, the ASC device retains 100% of its original specific capacitance after 3000 cycles, demonstrating excellent cycling stability. The NiO flakes@CoMoO4 NSs/NF electrode has promising prospects in supercapacitors and the design of 2D branched core-shell architecture paves an effective way to achieve high-performance electrode materials for energy storage.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn onbeperkt beschikbaar.

Afkortingen

2D:

Tweedimensionaal

AC:

Active carbon

ASC:

Asymmetric supercapacitor

CV:

Cyclische voltammetrie

EDLC's:

Electric double layer capacitors

EIS:

Elektrochemische impedantiespectroscopie

EQ:

Equation

FESEM:

Veldemissie scanning elektronenmicroscopie

GCD:

Galvanostatic charge-discharge

HRTEM:

Transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie

NF:

Ni foam

NSs:

Nanosheets

PTFE:

Polytetrafluoroethylene

TMO's:

Overgangsmetaaloxiden

XPS:

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie

XRD:

Röntgendiffractometer


Nanomaterialen

  1. Nexam gaat Diab leveren met eigenschapverhogend nexamite voor hoogwaardig PET-schuim
  2. Het ontwerp van de emissielaag voor elektronenvermenigvuldigers
  3. NiCo2S4@NiMoO4 Core-Shell heterostructuur nanobuisarrays gegroeid op Ni-schuim als een bindmiddelvrije elektrode vertoonden hoge elektrochemische prestaties met hoge capaciteit
  4. Geactiveerde koolstofvezels met hiërarchische nanostructuur afgeleid van afval katoenen handschoenen als hoogwaardige elektroden voor supercondensatoren
  5. Eenvoudige synthese van SiO2@C-nanodeeltjes verankerd op MWNT als hoogwaardige anodematerialen voor Li-ionbatterijen
  6. 3D onderling verbonden V6O13-nanobladen gekweekt op verkoold textiel via een zaad-ondersteund hydrothermisch proces als hoogwaardige flexibele kathodes voor lithium-ionbatterijen
  7. Tweedimensionale VO2 mesoporeuze microarrays voor krachtige supercondensator
  8. De anionische oppervlakteactieve stof/ionische vloeistoffen geïntercaleerd gereduceerd grafeenoxide voor krachtige supercondensatoren
  9. Secundair overdragende grafeenelektrode voor stabiele FOLED
  10. PCB-materialen en ontwerp voor hoogspanning
  11. Wat is architectuurontwerp?