Hoog-Presterende NiO Vlokken@CoMoO₄ Nanosheets Kern-Schil Elektrode op Ni Schuim voor Geavanceerde Supercondensatoren

Samenvatting

Overgangsmetaaloxiden (TMOs) hebben aandacht getrokken als pseudocapacitorelektroden vanwege hun hoge theoretische capaciteit, overvloed, en milieuvriendelijkheid. Echter, hun praktische specifieke capaciteit blijft vaak achter theorie achter, en volumeveranderingen tijdens cycleren compromitteren stabiliteit. Een kern-schil architectuur kan synergistisch de snelle elektronenpaden van de kern combineren met de overvloedige redoxplaatsen van de schil, wat deze problemen mitigeert. Hier rapporteert we een tweestaps hydrothermale synthese van NiO vlokken@CoMoO₄ nanosheets (NSs) gegroeid op nikkel schuim (NF) om een 2-D vertakte kern-schil architectuur te vormen. De verticaal uitgelijnde CoMoO₄ NSs bieden ample actieve plaatsen, efficiënte ionkanalen, en verbeterd elektronen-transport. Als positieve elektrode levert de NiO vlokken@CoMoO₄ NSs/NF een indrukwekkende specifieke capaciteit van 1.097 F g⁻¹ bij 1 A g⁻¹ en behoudt 97,5 % na 2.000 cycli. Een asymmetrische supercondensator (ASC) gemonteerd met AC/NF als negatieve elektrode bereikt 25,8 Wh kg⁻¹ bij 894,7 W kg⁻¹, terwijl 100 % van de capaciteit behouden blijft over 3.000 cycli. Deze resultaten benadrukken het 2-D vertakte kern-schil ontwerp als krachtige strategie voor hoog-presterende TMO elektroden.

Inleiding

Met de snelle adoptie van hernieuwbare energie, stijgt de vraag naar veilige, hoog-vermogen, en lange-levensduur energie-opslagoplossingen. Supercondensatoren, die snelle lading-ontladingscycli, hoge vermogendensiteit, en robuuste veiligheid bieden, worden steeds relevanter. Ze worden traditioneel verdeeld in elektrische dubbele-laag condensatoren (EDLCs) en pseudocapacitoren; de laatste opslaan lading via oppervlakte-redoxreacties, wat hogere energiedichtheden mogelijk maakt.

TMOs zijn aantrekkelijke pseudocapacitormaterialen vanwege hun hoge theoretische capaciteit, lage kosten, en milieuvriendelijkheid. Echter, praktische capaciteit wordt vaak beperkt door onvolledige materiaalbenutting en volume-uitrekking tijdens cycleren. Twee effectieve strategieën adresseren deze uitdagingen: (1) direct groeien van actieve materialen op geleidende substraten (bijv. Ni-schuim) om "dode" lagen te elimineren en geleidbaarheid te verbeteren; (2) nanostructurering, zoals kern-schil architecturen, om synergistische elektronische en ionische transportpaden te benutten.

Traditionele kern-schil ontwerpen lijden echter onder schilding van de schil die kerntoegankelijkheid beperkt. Om dit te overwinnen, ontwikkelden we een 2-D vertakte kern-schil structuur waar CoMoO₄ nanosheets verticaal groeien op NiO vlokken. Deze configuratie maximaliseert oppervlaktecontact, verbetert elektronenpaden, en creëert poreuze kanalen die elektrolytdiffusie accommoderen en spanning tijdens cycleren verlichten. De resulterende NiO vlokken@CoMoO₄ NSs/NF elektrode vertoont uitzonderlijke elektrochemische prestaties, wat de belofte van vertakte kern-schil architecturen voor next-generatie supercondensatorelektroden demonstreert.

Methoden Sectie

Synthese van NiO Vlokken/NF

Nikkel schuim (NF, 1,5 × 3,5 cm²) werd eerst geëtst in 3 M HCl voor 2 u om oppervlakteoxiden te verwijderen, daarna gedroogd bij 60 °C voor 12 u. De voorbehandelde NF werd gedoopt in 32 mL gedemineraliseerd water en overgebracht naar een 40 mL roestvrij-stalen autoklaaf. De autoklaaf werd verzegeld en verwarmd tot 140 °C voor 24 u (stap 1). Na natuurlijke afkoeling werd het product gewassen, gedroogd bij 60 °C, en geanleed bij 400 °C voor 2 u (stap 2) om β-Ni(OH)₂ om te zetten in NiO. De procedure is geïllustreerd in Fig. 1.

Synthese van NiO Vlokken@CoMoO₄ NSs/NF

Een oplossing van CoCl₂·6H₂O (65,1 mg) en Na₂MoO₄·2H₂O (50,8 mg) in 23 mL gedemineraliseerd water werd bereid onder roeren. NiO vlokken/NF werd 30 min gedoopt, daarna in een 40 mL autoklaaf geplaatst en verwarmd tot 160 °C voor 6 u (stap 3). Na-verwerking omvatte ultrasoon reinigen, vacuüm drogen bij 60 °C voor 12 u, en finale calcinatie bij 400 °C voor 2 u (stap 4) om NiO vlokken@CoMoO₄ NSs/NF te vormen. CoMoO₄ vlokken/NF werden op gelijke wijze geproduceerd maar met kaal NF.

Materialen Karakterisatie

Röntgen-diffractie (Rigaku D/Max-02400, Cu Kα) bevestigde fasezuiverheid. FESEM (Zeiss Gemini, Hitachi SU8100) en HRTEM (JEM-2100F) onthulden morfologie en kristalstructuur. XPS (Thermo ESCALAB 250Xi) identificeerde elementaire toestanden. Brunauer-Emmett-Teller (BET) analyse (BELSORP-max) meet specifiek oppervlakteoppervlak en porositeit.

Elektrochemische Metingen

Alle elektrochemische tests gebruikten een μIII Autolab werkstation in 6 M KOH. Drie-elektrode tests gebruikten verzadigde Ag/AgCl (referentie) en Pt-foil (counter), met NiO vlokken@CoMoO₄ NSs/NF als werkelektrode (1 cm²). GCD en CV maatten capaciteit; EIS dekte 100 kHz–0,01 Hz. Massaladingen werden bepaald uit gewichtsveranderingen voor en na synthese (0,79 mg cm⁻² voor NiO vlokken, 1,14 mg cm⁻² voor CoMoO₄ NSs, 1,93 mg cm⁻² voor het composiet). Asymmetrische supercondensator (ASC) cellen gebruikten 6 M KOH met NiO vlokken@CoMoO₄ NSs/NF als positieve en AC/NF als negatieve elektrode. Massa-balans volgde vergelijking (2) om ladingcapaciteiten van elke elektrode te matchen.

Resultaten en Discussie

Karakterisaties

XRD-patronen (Fig. 2a) bevestigen NiO-formatie na calcinatie en het opduiken van CoMoO₄-pieken bij 26,5°, 29,1°, 32,1°, en 33,7°, corresponderend met (002), (310), (±1 31), en (±2 22) vlakken. Geen onzuiverheidspieken verschijnen, wat fasezuiverheid bevestigt. XPS-spectra (Fig. 2b-f) tonen Co²⁺/Co³⁺, Mo⁶⁺, Ni²⁺/Ni³⁺, en roosterzuurstof, wat succesvolle composietformatie verifieert.

SEM-beelden (Fig. 3a-i) onthullen de evolutie van poreuze Ni(OH)₂ vlokken naar NiO vlokken mesoporeuze kenmerken, en tenslotte tot vertakte CoMoO₄ nanosheets dicht bedekkende de vlokken. HRTEM bevestigt kristalroosterafstanden van 0,242 nm en 0,148 nm voor NiO (111 en 220) en 0,199 nm/0,196 nm voor CoMoO₄ (± 4 03 en ± 5 11). BET-analyse (Fig. 4g-i) toont specifieke oppervlaktes van 28,2, 45,3, en 53,5 m² g⁻¹ voor Ni(OH)₂, NiO, en het composiet, respectievelijk, met gemiddelde poriën van 6,13, 6,57, en 4,16 nm. Het hogere oppervlakteoppervlak en kleinere poriën in het composiet faciliteren elektrolyttoegang en iontransport.

Elektrochemische Prestaties van NiO@CoMoO₄/NF

Specifieke capaciteit werd berekend met Verg. (3). Het composiet bereikt 1.097 F g⁻¹ bij 1 A g⁻¹, significant hoger dan NiO vlokken (349 F g⁻¹) en CoMoO₄ vlokken (316 F g⁻¹). Capaciteit blijft boven 500 F g⁻¹ zelfs bij 10 A g⁻¹, wat uitstekende snelheidscapaciteit aangeeft. CV-curven (Fig. 5b) tonen uitgesproken redox-pieken en een groot omsloten oppervlak, wat pseudocapacitatief gedrag bevestigt. GCD-curven (Fig. 5c) vertonen symmetrische vormen en lange ontladingstijden. De 2-D vertakte structuur biedt overvloedige actieve plaatsen en korte iondiffusiepaden, wat prestaties boost (Fig. 5f).

Na 2.000 cycli bij 2 A g⁻¹ behoudt het composiet 97,5 % van de initiële capaciteit, terwijl NiO vlokken en CoMoO₄ vlokken dalen tot 82,4 % en 70 %, respectievelijk. EIS-analyse toont lagere serieweerstand (0,4 Ω) en ladingsoverdrachtsweerstand (0,21 Ω) voor het composiet vergeleken met de bestanddelen, wat superieure elektronenkinetica onderstreept.

ASC Prestaties (NiO Vlokken@CoMoO₄ NSs/NF//AC/NF)

De ASC werkt over een 1,8 V venster (Fig. 6a). CV-curven (Fig. 6b) onthullen EDLC-gedrag van AC en pseudocapaciteit van het composiet, en het apparaat behoudt vorm bij hoge scantempo's. GCD-curven (Fig. 6d) bij 1–5 A g⁻¹ produceren een energiedichtheid van 25,8 Wh kg⁻¹ bij 894,7 W kg⁻¹, en leveren nog 16,8 Wh kg⁻¹ bij 4.500 W kg⁻¹. Een enkele LED aangedreven voor 10 min demonstreert praktische toepasbaarheid. De ASC toont 100 % capaciteitsbehoud na 3.000 cycli bij 5 A g⁻¹, met verwaarloosbare morfologische verandering (Fig. 6f).

Conclusie

We hebben met succes een NiO vlokken@CoMoO₄ nanosheet kern-schil elektrode op Ni-schuim geproduceerd via een tweestaps hydrothermale route. De 2-D vertakte architectuur levert een hoge specifieke capaciteit van 1.097 F g⁻¹, lage ladingsoverdrachtsweerstand, en uitstekende cyclische stabiliteit (97,5 % na 2.000 cycli). Gepaard met AC bereikt de resulterende ASC 25,8 Wh kg⁻¹ bij 894,7 W kg⁻¹ en behoudt volledige capaciteit over 3.000 cycli. Deze bevindingen bevestigen dat vertakte kern-schil ontwerpen het volledige potentieel van TMOs kunnen ontgrendelen voor hoog-presterende supercondensatoren.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder restricties.

Afkortingen

2D:

Twee-dimensionaal

AC:

Geactiveerd koolstof

ASC:

Asymmetrische supercondensator

CV:

Cyclische voltammetrie

EDLCs:

Elektrische dubbele-laag condensatoren

EIS:

Elektrochemische impedantiespectroscopie

FESEM:

Veldemissie rasterelektronenmicroscopie

GCD:

Galvanostatische lading-ontlading

HRTEM:

Hoog-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie

NF:

Ni-schuim

NSs:

Nanosheets

PTFE:

Polytetrafluoroetheen

TMOs:

Overgangsmetaaloxiden

XPS:

Röntgen-foto-elektron-spectroscopie

XRD:

Röntgen-diffractometer