Monodispergerende koolstofnanosferen met hiërarchische poreuze structuur als elektrodemateriaal voor supercondensator

Resultaten en discussie

Morfologie

De morfologie van monsters werd bestudeerd door SEM en TEM en wordt gegeven in Fig. 1. Van de SEM-afbeeldingen van MCNS, PCNS en ACNS (Fig. 1a-c), hebben MCNS en PCNS een goed bolvormige morfologie, maar ACNS is het aggregaat van onregelmatig gevormd koolstof. Bovendien zijn de verkregen MCNS homogeen in grootte (140 nm in diameter), maar PCNS hebben een brede grootteverdeling. De TEM-afbeeldingen van MCNS, PCNS en ACNS demonstreren verder hun microstructuur. Uit figuur 1d zijn MCNS monodisperse koolstofnanosferen en de HRTEM-analyse presenteert de hiërarchische poreuze structuren van MCNS. Zoals weergegeven in figuur 1e, zijn PCNS polydispers. Bovendien laat figuur 1f zien dat de ACNS stevig geagglomereerd en niet-dispergeerbaar zijn. Het is duidelijk dat de dosering van F108 een grote invloed heeft op de grootteverdeling en dispergeerbaarheid van eindproducten.

Morfologie van alle monsters. SEM-afbeeldingen van a MCNS, b PCNS en c ACNS; TEM-afbeeldingen van d MCNS bij verschillende vergrotingen, e PCNS en f ACNS

Poriestructuuranalyse

De poriestructuur van alle monsters werd geschat door N₂ adsorptie-desorptiemetingen, samengevat in tabel 1. Het PCNS-monster vertoont een typische microporeuze structuur, terwijl mCNS-, MCNS- en ACNS-monsters een hiërarchische poreuze structuur vertonen. Uit Fig. 2a tonen alle monsters de pseudo-type I isotherm met steile opnames onder P /P ₀ =0,01, wat suggereert dat er veel microporiën zijn. De H3-hysteresislussen bij hoge relatieve druk kunnen worden waargenomen bij de isotherm van mCNS, MCNS en ACNS, wat suggereert dat er een poriestructuur van het interstitiumtype bestaat die voornamelijk het gevolg is van de holtes tussen individuele deeltje en de mesoporiën. De porieverdelingskrommen (Fig. 2b) demonstreren intuïtief de microporeuze structuur van PCNS en ook het naast elkaar bestaan ​​van ontwikkelde microporiën en mesoporiën in mCNS, MCNS en ACNS. Het is interessant om op te merken dat het mCNS-monster vergelijkbare N₂ . vertoont adsorptie/desorptie-isothermen en poriegrootteverdelingscurve met die van MCNS, wat aangeeft dat hun poriestructuur vergelijkbaar is. Het porievolume van mCNS (0,423 cm ³ g ⁻¹ ) is lager dan die van MCNS (0,645 cm ³ g ⁻¹ ). KOH-activering draagt ​​dus bij aan de hiërarchische poreuze structuur van MCNS door het porievolume te vergroten. Vergeleken met MCNS is het porievolume van PCNS (0,37 cm ³ g ⁻¹ ) neemt sterk af met verwaarloosbare mesoporiën en ACNS vertoont een vergelijkbaar porievolume (0,649 cm ³ g ⁻¹ ) met verminderde mesoporie. De significante mesoporositeit van MCNS is voornamelijk te wijten aan de losjes geagglomereerde monodisperse koolstofnanosferen. Het is duidelijk dat polydispersiteit van PCNS en aggregaat van ACNS de vorming van mesoporie tussen individuele deeltjes tegengaat. Het toevoegen van de F108 zorgt er voornamelijk voor dat microporeuze PCNS transformeert naar hiërarchische poreuze MCNS door de uniforme grootte van koolstofnanosferen te behouden. Overmatige F108 resulteert echter in het aggregaat van koolstofnanosferen. Het is duidelijk dat het verschil in poreuze structuur van PCNS, MCNS en ACNS voornamelijk wordt veroorzaakt door de toevoeging van F108.

N₂ adsorptie-desorptie metingen van alle monsters. een N₂ adsorptie/desorptie isothermen en b poriegrootteverdeling

Elektrochemische prestaties

Zoals weergegeven in figuur 3, werden de elektrochemische prestaties van MCNS, PCNS en ACNS geëvalueerd en vergeleken. De typische CV-curven van verschillende monsters bij 10 mV s ⁻¹ worden getoond in Fig. 3a. De quasi-rechthoekige vorm met enige verbrede bult van CV-curven is het synergetische effect van de elektrische dubbellaags capaciteit en pseudo-capaciteit [17]. Het grotere omringende gebied van de CV-curve van MCNS geeft aan dat de specifieke capaciteit van MCNS hoger is dan die van PCNS en ACNS. Afbeelding 3b vergelijkt de CP-curves van verschillende monsters bij 0,2 Ag ⁻¹ . De berekende specifieke capaciteit van MCNS (224 F g ⁻¹ ) groter is dan die van PCNS (201 F g ⁻¹ ) en ACNS (182 F g ⁻¹ ). De specifieke capaciteit werd berekend door CP-curven bij verschillende stroomdichtheden (figuur 3c). Bij 20 A g ⁻¹ , MCNS, PCNS en ACNS tonen 72,7, 70,6 en 70,5% behoud van de specifieke capaciteit. De hogere specifieke capaciteit en het betere snelheidsvermogen van MCNS kunnen worden toegeschreven aan een superieure structuur van MCNS dan van PCNS en ACNS. De mono-dispersiebollen creëren een significante mesoporie die de elektrode / elektrolyt-interface voor overdrachtsreactie zou kunnen vergroten en ook zou kunnen dienen als "ionbufferreservoir" voor levering met hoge snelheid. Ook zijn de enigszins mesoporiën in koolstofbollen van cruciaal belang om een ​​minder beperkte diffusieroute voor massatransport mogelijk te maken. Bovendien bieden de ontwikkelde microporiën een groot oppervlak aan elektrolytische ionen voor een effectieve accumulatie van lading. Bovendien vertonen de geagglomereerde koolstofbollen (ACNS) de hiërarchische poreuze structuur en een vergroot specifiek oppervlak. In vergelijking met MCNS zijn de elektrochemische prestaties van ACNS verminderd. Het resultaat toont het belang aan van monodispersiebollen voor het verbeteren van de elektrochemische prestatie. Het is duidelijk dat het synergetische effect tussen monodispersiebollen en hiërarchische poreuze structuren bijdraagt ​​aan de betere elektrochemische prestaties van MCNS. Afbeelding 3d geeft de resultaten weer van de fietstest bij 10 A g ⁻¹ voor 10.000 cycli. Gedurende de 10.000 cycli werden 93, 90 en 93% van de initiële capaciteit behouden voor respectievelijk MCNS, PCNS en ACNS. De Nyquist-plot werd gegeven door EIS-tests, zoals weergegeven in figuur 3e. De equivalente serieweerstandswaarden (ESR) van MCNS (0,76 ) zijn kleiner dan die van PCNS (1,02 ) en ACNS (1,08 ), wat wijst op de betere elektrische geleidbaarheid van MCNS. Bovendien is uit figuur 3f de fasehoek van MCNS, PCNS en ACNS bijna -90 ° voor ideale condensator [18]. In detail is de fasehoek van MCNS, PCNS en ACNS respectievelijk -84,5°, -80,5° en -81,4°. Over het geheel genomen zijn de MCNS beter dan de PCNS en ACNS. Zo'n MCNS vertoont dus een groot potentieel als elektrodemateriaal voor supercondensatoren.

Elektrochemische prestaties van MCNS, PCNS en ACNS. een CV-curven bij 10 mV s ⁻¹ . b CP-curves bij 0,2 A g ⁻¹ . c Specifieke capaciteit bij verschillende stroomdichtheden. d Fietstest bij 10 A g ⁻¹ . e Nyquist plot in het frequentiebereik van 10 mHz tot 10 kHz. v Bode-hoekgrafieken