Zweidimensionale mesoporöse VO2-Mikroarrays für Hochleistungs-Superkondensatoren

Hintergrund

Superkondensatoren sind wiederaufladbare elektrochemische Energiespeicher, die durch die schnellen Oberflächenladungsspeicherprozesse ein großes Potenzial haben, eine um eine Größenordnung höhere Energiedichte und eine viel längere Zyklenlebensdauer als Batterien bereitzustellen [1,2,3]. Superkondensatoren können in zwei Typen eingeteilt werden:auf mesoporöse kohlenstoffbasierte elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDL) und auf reversible Faradaysche Reaktion (Redoxreaktion) basierende Pseudokondensatoren aus Metalloxiden und/oder leitfähigem Polymer [4]. Pseudokapazität, die eine mindestens eine Ordnung höhere Kapazität als der EDL-Effekt aufweist, hat zunehmende Aufmerksamkeit auf die Entwicklung von Pseudokondensatoren mit ähnlicher Energiedichte wie die von Batterien gelenkt [5, 6]. Pseudokondensatoren leiden jedoch häufig unter einer geringen Leistungsfähigkeit und Zyklenlebensdauer, da Faradaysche Redoxreaktionen oft durch eine geringe Oberfläche und eine geringe elektrische Leitfähigkeit eingeschränkt sind [7].

Übergangsmetalloxide (TMOs), wie RuO₂ [8, 9], MnO₂ [10, 11], Fe₂ O₃ [12, 13], NiO [14, 15], SnO₂ [16, 17], wurden als Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren ausgiebig untersucht. Darunter Vanadiumoxide (zum Beispiel V₂ O₅ , VO₂ , und V₆ O₁₃ ) wurde als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren und Li/Na-Ionen-Batterien wegen ihrer hohen spezifischen Kapazität, variablen Oxidationsstufen, geringen Kosten und reichlicher Speicherkapazität untersucht [18,19,20,21,22,23,24,25,26 ,27,28,29,30,31]. VO₂ hat das Potenzial, aufgrund seiner höheren elektronischen Leitfähigkeit aufgrund einer gemischtvalenten V ^3+/5+ . eine hohe Leistung zu erzielen und gute strukturelle Stabilität. Bisher VO₂ /rGO [28, 29, 32], VO₂ /CNTs [30] und wasserstoffbehandeltes nanoporöses VO₂ über ausgezeichnete Pseudokapazitätseigenschaften berichtet [33]. Superkondensatoren bestehend aus VO₂ /GO-Nanobänder besaßen einen Kapazitätswert von 426 F/g bei 1 A/g im Potenzialbereich von − 0,6 bis 0,6 V [29]. VO₂ Auf einer Kohlenstoffmatrix abgeschiedene Nanoflocken-Arrays zeigten Kapazitätswerte von 485 F/g bei 2 A/g [34]. VO₂ /CNT-Nanokomposite, die durch Atomlagenabscheidung synthetisiert wurden, zeigten eine Kapazität von bis zu 1550 F/g [30]. In reiner VO₂ Nanokristalle bestand typischerweise eine unzureichende Kontrolle ihrer Mikrostruktur im Nanomaßstab und führte daher zu einer unbefriedigenden Kapazität und Zyklenleistung. VO₂ Elektrodenmaterialien auf Nanoblattbasis erzielten eine Kapazität von 150 F/g bei 1 A/g [34]. Reines nanoporöses VO₂ Elektroden zeigten nur Kapazitätswerte von 76 F/g bei 1 A/g [33]. Mikroarray von VO₂ Nanodrähte erreichten einen Kapazitätswert von 180 F/g bei 1 A/g mit guter Zyklenleistung [35]. Diese Ergebnisse legen nahe, dass VO₂ mit guter elektrischer Leitfähigkeit und entworfener poröser Struktur sind entscheidend für die Erzielung einer hohen Leistung.

Wir haben zuvor das Toluol-Wasser-System für die Synthese von Nanokristallen entwickelt. Die Nukleation von Metalloxid-Nanokristallen erfolgte in der wässrigen Phase, und dann wurden die Nanokristalle durch Adsorption von Tensiden an der Flüssigkeitsgrenzfläche unter hydrothermalen Bedingungen in die organische Phase gezogen. Die Morphologieentwicklung von Nanokristallen fand in der organischen Phase statt. Hochdisperse Nanokristalle mit enger Größenverteilung und einheitlicher Morphologie, wie CeO₂ , Fe₃ O₄ , und Mn _x O _y , wurden synthetisiert [36,37,38,39]. Obwohl VO₂ Nanopartikel und dünne Filme wurden durch die hydrothermale Methode hergestellt, ein rationales Design ihrer Kristallinität und Mikrostruktur ist schwierig zu erreichen [40,41,42].

In dieser Arbeit wurde eine von Flüssigkeitsgrenzflächen abgeleitete Methode entwickelt, um die 2D-Mikroarrays von VO₂ . herzustellen . Die 2D-Mikroarrays haben eine Millimetergröße mit einer Dicke von etwa 1 μm und zwei verschiedene Oberflächen, die in einer organisch-wässrigen Grenzfläche gebildet werden. Die Blockeinheit der 2D-Mikroarrays ist das VO₂ nadelförmige Partikel mit einer einheitlichen mesoporösen Struktur, bei der die Porengröße etwa 2 nm beträgt. Eine solche einzigartige Architektur stellt einen kurzen Diffusionsweg für Elektrolytionen und zahlreiche Kanäle für den Zugang des Elektrolyten bereit. Darüber hinaus wird im VO₂ . ein niedriger Widerstand realisiert Mikroarrays. Basierend auf dieser einzigartigen Struktur weisen die mesoporösen 2D-Mikroarrays eine hervorragende Kapazitätsleistung mit hoher spezifischer Kapazität, guter Rate und langer Lebensdauerstabilität auf.

Methoden

Materialien

V₂ O₅ , H₂ O₂ (30%), Toluol, Ölsäure und tert -Butylamin wurden von Sigma Aldrich bezogen. Diese Chemikalien wurden wie erhalten ohne weitere Reinigung verwendet. In allen Experimenten wurde entionisiertes (DI) Wasser durch ein Millipore-System (Milli-Q) verwendet.

Vorbereitung der 2D-VO₂ Mikroarrays

In einem typischen Syntheseprozess 7,5 ml H₂ O₂ (30 %) wird in 150 ml entionisiertes Wasser gegeben und dann 0,534 g V₂ O₅ wird in die Lösung gegeben; die Suspension wurde bei Raumtemperatur gerührt, bis eine dunkelgoldgelbe Lösung erhalten wurde, und in diesem Verfahren als wässrige Phase verwendet. Eine gemischte Lösung aus 30 ml Toluol, 12 ml Ölsäure und 1,5 ml tert -Butylamin wurde als organische Phase verwendet. Die wässrigen und organischen Lösungen wurden in einen 200-ml-Autoklaven gegossen und 48 h auf 200 °C erhitzt. Die 2D-VO₂ Mikroarrays wurden auf der organisch-wässrigen Grenzfläche gezüchtet und in der wässrigen Phase abgeschieden. Unter Zentrifugation, die Synthese und das 2D VO₂ Mikroarrays wurden aus der wässrigen Phase gesammelt. Schließlich die gesammelten 2D-VO₂ Microarrays wurden 2 h bei 200 °C im Vakuum getrocknet.

Materialcharakterisierung

Die XRD-Muster der resultierenden Produkte wurden mit einem Röntgendiffraktometer (XRD, D5005HR) mit CuKα-Strahlung bei einer Spannung von 40 kV und einem Strom von 40 mA gesammelt. Die Probenmorphologie wurde durch ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM, JEM-2100F) untersucht. Die mikroskopischen Merkmale der Proben wurden mit einem Feldemissions-Scanning-Mikroskop (FESEM, SU-70) gesammelt, das mit einem energiedispersiven Röntgenspektrometer (EDS) ausgestattet war. Die Oberflächenzusammensetzung wurde durch Röntgen-Photoelektronenspektren (XPS, ESCALAB 250) untersucht. Die Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Oberfläche und die Porosität wurden durch Stickstoffadsorptions-Desorptions-Isothermenmessungen mit einem Micrometritics ASAP 2020-Analysator bei 77 K bestimmt.

Elektrochemische Charakterisierung

Die elektrochemischen Eigenschaften wurden durch ein elektrochemisches Analysesystem (CHI660D Shanghai Chenhua Apparatus, China) in einer Dreikammerzelle untersucht. Die Arbeitselektroden bestanden aus 80 Gew.-% aktivem Material, 10 Gew.-% Acetylenruß (AB) und 10 Gew.-% Polyvinylidendifluorid (PVDF). N -Methyl-2-pyrrolidon (NMP) wurde als Lösungsmittel verwendet. Die gemischten Aufschlämmungen wurden auf Ni-Folien aufgetragen und dann über Nacht auf 80 °C erhitzt, um das organische Lösungsmittel zu entfernen. Der Elektrolyt war 1 mol l ⁻¹ Na₂ SO₄ Lösung. Zyklische Voltammetrie (CV)-Kurven wurden unter Verwendung einer elektrochemischen Workstation PARSTAT 2273 mit unterschiedlichen Abtastraten aufgezeichnet. Die elektrochemischen Impedanzmessungen wurden bei einer Schwingungsamplitude von 10 mV AC über den Frequenzbereich von 10 bis 0,01 kHz durchgeführt. Die elektrische Leitfähigkeit wurde bei Raumtemperatur mit einem digitalen 4-Punkt-Sondentestsystem ST-2258A gemessen. Vor der Messung wurden Probenpulver mit einer Öldruckmaschine unter einem Druck von 30 MPa zu einem Wafer mit einer Dicke von 0,2 mm und einem Durchmesser von 13 mm gepresst.

Ergebnisse und Diskussion

Vorbereitungsprozess von 2D VO₂ Mikroarrays wurde in Schema 1 veranschaulicht. V₂ O₅ wurde zuerst in einem H₂ . gelöst O₂ wässrige Lösung und als wässrige Phase verwendet. Toluollösung enthielt Ölsäure und tert -Butylamin wurde als organische Phase verwendet. Die wässrige und organische Lösung lösen sich nicht auf und bilden eine wässrig-organische Flüssigkeitsgrenzfläche. Diese Flüssigkeitsgrenzfläche wurde als Vorlage für die Bildung von 2D-VO₂ . verwendet Mikroarrays. Unter hydrothermalen Bedingungen tert -Butylamin in wässriger Lösung gelöst, um den pH-Wert zu erhöhen, und somit V ⁵⁺ wird durch Ölsäure an der Flüssigkeitsgrenzfläche reduziert. Wie in Schema 1 gezeigt, VO₂ Nanoblätter wurden zuerst an der Flüssigkeitsgrenzfläche gebildet und dann nadelförmiges VO₂ Einheiten mit mesoporöser Struktur wurden auf den Nanoblättern in wässriger Phase an der Flüssigkeitsgrenzfläche gezüchtet. Durch das Wachstum von nadelförmigem VO₂ Einheiten verwandelten sich die gebildeten Nanoblätter in die Aggregate von Nanopartikeln in der organischen Phase, und daher wurden schließlich 2D-Mikroarrays gebildet.

Darstellung des Entstehungsprozesses von 2D VO₂ mesoporöse Mikroarrays

Abbildung 1a zeigt das SEM-Bild des 2D-VO₂ Mikroarrays (bezeichnet als VO₂ -N Mikroarrays), bei denen die Mikroarrays eine einheitliche Struktur mit einer Größe von mehreren Millimetern aufwiesen. Bei starker Vergrößerung (Abb. 1b, d und zusätzliche Datei 1:Abbildung S1) bildeten sich zwei unterschiedliche Oberflächen in wässriger und organischer Phase an der Flüssigkeitsgrenzfläche. Abbildung 1b zeigt die in wässriger Phase gebildete Oberfläche. Es ist ersichtlich, dass die 2D-Mikroarrays aus nadelähnlichen Einheiten mit gemeinsamen Kanten bestanden. Die Dicke der Mikroarrays betrug etwa 1 μm. Zum nadelförmigen VO₂ Einheit, die Breite von ca. 350 nm und eine Länge von 1 μm wurden erhalten (Abb. 1c und Zusatzdatei 1:Abbildung S1c, d). Abbildung 1c zeigt das TEM-Bild des VO₂ nadelähnliche Einheiten. Die Größe der Partikel betrug etwa 1 μm, was mit der REM-Beobachtung übereinstimmt. Das Elektronenbeugungsmuster (ED) des Partikels zeigte eine Einkristallnatur an. Es ist zu erkennen, dass die nadelförmigen Einheiten eine einheitliche poröse Struktur aufweisen. Auf den nadelförmigen Partikeln waren Poren mit einer einheitlichen Größe von 2 nm verteilt. Die Tiefe der Poren reichte von 20 bis 100 nm und die Breite betrug etwa 20 nm. Die spezifische Oberfläche nach Brunauer-Emmett-Teller (BET) und die Porosität, die durch Stickstoffadsorptions-Desorptionsanalyse untersucht wurden, sind in Abb. 2a dargestellt. Aus der Stickstoffadsorptions-/Desorptions-Isothermenkurve abgeleitet, betrug die Oberfläche des 2D-Mikroarrays 80 m ² . /g, zurückzuführen auf die Typ-IV-Isotherme mit einer H1-Hystereseschleife [43, 44]. Wie in Abb. 2a gezeigt, zeigte das 2D-Mikroarray eine enge Porengrößenverteilung, die hauptsächlich im Bereich von 1,9 bis 3,8 nm mit einem durchschnittlichen Porendurchmesser von 2,85 nm lag. Die entsprechenden Poren sollten sich hauptsächlich auf diejenigen beziehen, die sich in den nadelartigen Einheiten befinden, wie in Abb. 1c gezeigt. Diese Ergebnisse legten nahe, dass die 2D-Mikroarrays eine typische mesoporöse Struktur waren, die einen einheitlichen kurzen und schnellen Ionendiffusionspfad für eine hohe Leistung in Superkondensatoren bieten könnte. Abbildung 1d und zusätzliche Datei 1:Abbildung S1a, b zeigt die Oberfläche von 2D VO₂ Mikroarrays, die in organischer Phase an der Flüssigkeitsgrenzfläche gebildet wurden. Diese Oberfläche bestand aus unregelmäßigen Partikeln mit einer Größe von ca. 200 nm. Abbildung 2b zeigt das XRD-Muster der Mikroarrays. Die Beugungspeaks bei 16°, 25°, 30° und 49° entsprachen den (200), (110), (− 401) und (312) Kristallflächen von VO₂ (B) Phase (JCPDS Nr. 31-1438) [45], während die Beugungspeaks bei 37° der (011)-Kristallfläche von VO₂ . entsprachen (R)-Phase. Dieses Ergebnis zeigte, dass die VO₂ Mikroarrays waren eine Mischung aus VO₂ (B) und VO₂ (R) Phasen, und die Hauptphase war VO₂ (B), was für Hochleistungskapazitäten wünschenswert ist.

REM-Bilder des VO₂ 2D-Mikroarrays (a ) und die in wässriger Lösung gebildeten Oberflächen (b ) und Bio (d ) Phase. TEM-Aufnahme des mesoporösen VO₂ Einheiten (c )

N₂ Adsorptions-Desorptions-Isothermen mit entsprechender Porengrößenverteilung (a ) und XRD-Muster von 2D VO₂ Mikroarrays (b )

Die 2D-VO₂ Mikroarrays zeigten in dieser Arbeit eine einzigartige Multistruktur, die in wässrigen und organischen Phasen gebildet wird. Diese einzigartige Struktur kann der anorganisch-organischen Flüssigkeitsgrenzfläche zugeschrieben werden. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S2 zeigt die Kinetik der Bildung von 2D-Mikroarrays. 1 h synthetisiert, können millimetergroße Platten mit einer Dicke von ca. 100 nm wurden erhalten (Zusatzdatei 1:Abbildung S2a). In TEM (Additional file 1:Figure S2b, c) hat das Blatt einen Einkristallcharakter und auf seiner Oberfläche wurden beträchtliche Nanokristalle mit einer Größe von 5 nm beobachtet. In wässriger Phase waren die auf der Blattoberfläche gebildeten Nanokristalle die Keime für die Förderung des Wachstums von nadelförmigem VO₂ Einheiten. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S2d, e zeigt die für 8 Stunden synthetisierten REM-Bilder. In der wässrigen Phase wurden Partikel mit unregelmäßiger Morphologie beobachtet, die auf den Blättern wuchsen. Nach 16 Stunden Synthesezeit hatten einige der Partikel eine ähnliche Morphologie wie das VO₂ . nadelähnliche Einheiten (zusätzliche Datei 1:Abbildung S2f). Diese Beobachtungen legen nahe, dass die VO₂ nadelartige Einheiten wuchsen auf dem zuerst gebildeten Blatt in wässriger Lösung, und dann verwandelten sich die Blätter in die Aggregate unregelmäßiger Partikel in der organischen Phase (Abb. 1c und zusätzliche Datei 1:Abbildung S1).

Die Morphologie der 2D-Mikroarrays kann durch Änderung von Lösungsmittel, Reduktionsmittel und Tensid gesteuert werden. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S3 zeigt die VO₂ Mikroarrays, synthetisiert unter Verwendung von Reinstwasser als wässrige Phase (bezeichnet als VO₂ -S). Die niedrige Dielektrizitätskonstante von Reinstwasser verzögert die Keimbildung und das Wachstum von VO₂ Partikel. Nach der Synthese verschwand die in organischer Phase gebildete Schicht nicht, und es wurden Blüten aus Nanoschichten von der in wässriger Lösung gebildeten Oberfläche beobachtet. Die Nanoblätter haben eine Größe von über 30 μm und eine Dicke von 100 nm, und nadelförmige Partikel wurden nicht beobachtet. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S4 zeigt die VO₂ Mikroarrays (bezeichnet als VO₂ -F Microarrays) unter Verwendung von in wässriger Lösung zugegebenem Hydrazin als Reduktionsmittel. 2D-Mikroarrays wurden auch für die Proben erhalten, die mit Hydrazin als Reduktionsmittel synthetisiert wurden, und andererseits für die VO₂ Einheiten in eine fusiformis-ähnliche Morphologie umgewandelt. Die fusiformis-ähnlichen Einheiten, die sich selbst zu stäbchenförmigen Aggregaten zusammenbauen, wie in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildung S4b, c. Es ist erwähnenswert, dass für die fusiformis-ähnlichen und Nanoblatt-Einheiten, die mit Hydrazin und Reinstwasser synthetisiert wurden, keine poröse Struktur identifiziert wurde, wie in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildungen S3e und S4d. Wenn Oleylamin anstelle von Butylamin verwendet wurde, wurden in Toluollösung dispergierte Nanowürfel mit einer Größe von 200 nm erhalten, und es wurden keine Mikroarrays an der Flüssigkeitsgrenzfläche beobachtet, wie in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S5 gezeigt.

Abbildung 3 zeigt die XPS-Spektren von 2D-VO₂ -N Mikroarrays. In der Untersuchungsregion wurden Kohlenstoff, Vanadium und Sauerstoff nachgewiesen (Abb. 3a). Das Verhältnis von O-Atom und V-Atom betrug etwa 2, was gut mit dem stöchiometrischen Verhältnis von VO₂ . übereinstimmt . Abbildung 3b zeigt die Bindungsenergie auf Kernebene für V(2p)-Peaks. Die Bindungsenergien für V 2p_3/2 und 2p_1/2 beobachtet bei 516,7 und 524,6 eV stimmte gut mit denen von V ⁴⁺ . überein Ion und keine anderen Peaks gehören zu V ⁵⁺ wurden entdeckt [46].

XPS-Spektren:Vermessungsscan. a V 2p und b O von 2D-VO₂ Mikroarrays

Zyklische Voltammogramme (CV) wurden gemessen, um die Superkondensatorleistung des VO₂ . zu charakterisieren -N Mikroarrays (Abb. 4a). Die CV-Kurven behielten auch bei hoher Sweep-Rate eine ähnliche rechteckige Form bei. Die in CV-Kurven bei unterschiedlichen Abtastraten beobachteten symmetrischen Formen zeigten, dass die Redoxreaktion hochgradig reversibel ist und für die verbesserte Kapazitätsleistung verantwortlich ist. Der Test des elektrochemischen Impedanzspektrums (EIS) wurde verwendet, um die Kinetik des Ladungsträgertransports zu untersuchen (Abb. 4b). Die gerade Linie bei niedriger Frequenz, abgeleitet aus der Warburg-Impedanz. Die VO₂ -N-Mikroarrays zeigten eine steil ansteigende Steigung bis 90°, was auf das ideale kapazitive Verhalten und den kurzen Diffusionswiderstand von Elektrolytionen in der Elektrode hindeutet. Im Hochfrequenzbereich kam der Halbkreis vom Widerstand parallel zur Kapazität. Der Halbkreis wurde für alle drei Typen von 2D-Mikroarrays identifiziert, die aus dem Ladungstransferprozess von Faradayschen Reaktionen stammen. Die VO₂ -N-Mikroarrays wiesen den niedrigsten verminderten äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von 1,07 Ω auf. Der stark eingedrückte Halbkreis und der niedrige Innenwiderstand deuteten auf einen schnellen Ionentransport innerhalb des VO₂ . hin -N Microarray-Elektrode.

CV-Kurven bei Scanraten von 5–50 mV/s (a ) und EIS-Spektren von 2D VO₂ Mikroarrays (b )

Abbildung 5a zeigt die galvanostatischen Lade-Entlade-Kurven des VO₂ -N-Mikroarray-Elektrode bei der Stromdichte reichte von 0,5 bis 10 A/g, und die entsprechenden spezifischen Kapazitäten wurden in Abb. 5b veranschaulicht. Innerhalb des gesamten Stromdichtebereichs beträgt der VO₂ -N-Mikroarray-Elektrode ergab hohe spezifische Kapazitäten. Die Kapazität von 275 F/g wurde bei 0,5 A/g erhalten, und die Kapazität von 265 F/g bei 1 A/g ergab eine Kapazitätsbeibehaltung von 96 % im Vergleich zu der bei 0,5 A/g. Bei 10 A/g betrug die Kapazität 182 F/g, was eine Kapazitätsbeibehaltung von 66 % beibehielt. Das langfristige Zyklenverhalten der kapazitiven Leistung wurde bis zu 3000 Zyklen bei einer Stromdichte von 2 A/g untersucht (Abb. 5c). Für VO₂ . wurde während des Zyklens kein Kapazitätsschwund beobachtet -N-Mikroarray-Elektrode und die Kapazität von 239 F/g bleiben nach 3000 Zyklen unverändert. In anderen Arten von Mikroarrays ohne mesoporöse Struktur betrugen die spezifischen Kapazitäten hingegen nur 96 und 64 F/g (1 A/g) für das VO₂ . -S und VO₂ -F 2D-Mikroarrays bzw. (zusätzliche Datei 1:Abbildung S6c). Die Kapazität nahm daher nur nach 300 Zyklen bei 1 A/g für VO₂ . schnell auf 73 F/g ab -S-Mikroarray wie in Zusätzliche Datei 1 gezeigt:Abbildung S6.

a Lade-Entlade-Kurven bei der Stromdichte zwischen 0,5 und 10 A/g, b entsprechende spezifische Kapazität und c Fahrleistung von 2D VO₂ Mikroarrays bei 1 A/g

Es ist zu erkennen, dass die VO₂ -N-Mikroarray erzielte ausgezeichnete Kapazitätsleistungen. Bisher höchste Kapazität von reinem VO₂ betrug 180 F/g bei einer Stromdichte von 1 A/g [35]. Die Kapazität von VO₂ -N-Mikroarray erreichte 265 F/g bei 1 A/g, und die Kapazitätserhaltung war bei hoher Stromdichte hoch (182 F/g bei 10 A/g). Darüber hinaus war die Zyklusleistung des Mikroarrays ausgezeichnet. Im Allgemeinen ist die Zyklusleistung von reinem VO₂ war aufgrund seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit sehr schlecht; die Kapazitätserhaltung nahm nach 500 Zyklen auf etwa 60 % ab [28,29,30,31,32,33,34,35]. Andererseits wurde kein Kapazitätsschwund während des Zyklus für VO₂ . beobachtet -N-Mikroarray-Elektrode nach 3000 Zyklen bei hoher Stromdichte (2 A/g). Für die auf dem Faradayschen Effekt basierende Pseudokapazität waren Ioneninterkalation und Reaktion die vorherrschenden Phänomene nahe der Oberfläche, wenig Beitrag vom Inneren des Partikels zur Kapazität. Ein großer spezifischer Oberflächenbereich maximiert die spezifische Kapazität signifikant mit dem weiteren Beitrag des Doppelschicht-Kapazitätseffekts. In dieser Arbeit wird die einheitliche mesoporöse Struktur des VO₂ Einheiten im VO₂ -N 2D-Mikroarrays boten eine große Oberfläche und einen kurzen Ionendiffusionsweg, um eine große spezifische Kapazität zu realisieren. Bei anderen Arten von Mikroarrays haben wir jedoch keine mesoporöse Struktur beobachtet (Zusatzdatei 1:Abbildungen S3 und S4) und ihre BET-Oberflächen betrugen nur 21 m² und 13 m² /g für VO₂ -S und VO₂ -F 2D-Mikroarrays bzw. Außerdem ist die VO₂ -N 2D-Mikroarray erzielte im Vergleich zum VO₂ . eine höhere Leitfähigkeit -S und VO₂ -F 2D-Mikroarrays, die eine hervorragende Zyklusleistung von VO₂ . ergeben -N 2D-Mikroarray.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend berichten wir über eine einfache Möglichkeit zur Herstellung des 2D-VO₂ Mikroarrays. Die organisch-anorganische Flüssigkeitsgrenzfläche fungierte als weiche Matrize für die Bildung der Mikroarrays. Die Morphologie der Einheiten kann durch Wechsel von Lösungsmittel und Reduktionsmittel gesteuert werden. Es wurden nadelförmige Nanoblätter und fusiformis-ähnliche Einheiten erhalten. Als Superkondensatorelektrode ist die 2D VO₂ Mikroarrays aus nadelförmigen Einheiten zeigten eine hohe spezifische Kapazität, eine bemerkenswerte Geschwindigkeitsfähigkeit und eine ausgezeichnete Zyklenleistung. Die mesoporöse Struktur der nadelförmigen Einheiten und die hohe Leitfähigkeit der Mikroarrays trugen zu der hervorragenden Kapazitätsleistung bei.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

AB:

Acetylen schwarz

WET:

Brunauer–Emmett–Teller

CNT:

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

ED:

Elektronenbeugung

EDL:

Elektrische Doppelschichtkondensatoren

EIS:

Elektrochemisches Impedanzspektrum

ESR:

Äquivalenter Serienwiderstand

NMP:

N -Methyl-2-pyrrolidon

PVDF:

Polyvinylidendifluorid

rGO:

Reduziertes Graphenoxid

TMOs:

Übergangsmetalloxide

XRD:

Röntgenbeugung