Design einer Kern-Schale-Architektur von NiO-Flakes@CoMoO4-Nanoblättern auf Ni-Schaum für Hochleistungs-Superkondensatoren

Einführung

Derzeit steigen die Anforderungen an erneuerbare Energieträger und Energiespeicher mit der schnellen technologischen Entwicklung und dem gesellschaftlichen Fortschritt rasant an [1, 2]. Die Eigenschaften einer schnellen Lade-Entlade-Rate, einer besseren Sicherheitsfunktion, einer hohen Leistungsdichte und einer langen Lebensdauer machen Superkondensatoren zu einem der vielversprechendsten Kandidaten für traditionelle Energiespeicher. Nach dem Speichermechanismus werden Superkondensatoren im Allgemeinen in zwei Typen eingeteilt, einschließlich elektrischer Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) und Pseudokondensatoren [3]. EDLCs speichern Ladung durch elektrostatische Adsorption an der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt. Pseudokondensatoren speichern Energie durch Redoxreaktionen (oder Unterpotentialabscheidung und Interkalation), die auf/in der Nähe der Oberfläche von Elektrodenmaterialien stattfindet [4, 5]. Dabei sind Pseudokondensatoren aufgrund der höheren Energiedichte im Vergleich zu EDLCs in den Fokus der Forschung gerückt.

Übergangsmetalloxide (TMOs) wurden als Elektrodenmaterialien für Pseudokondensatoren aufgrund der hohen theoretischen spezifischen Kapazität, der Natur, der geringen Kosten und der Umweltfreundlichkeit in Betracht gezogen [6, 7]. Der erhaltene experimentelle Wert der spezifischen Kapazität ist jedoch aufgrund der unvollständigen Verwendung von Elektrodenmaterialien viel kleiner als der Wert der theoretischen spezifischen Kapazität [8]. Darüber hinaus zeigen TMOs-Elektroden aufgrund der kontinuierlichen Volumenänderung während des Lade-Entlade-Prozesses immer eine unzureichende Stabilität [9]. Normalerweise gibt es zwei wirksame Methoden, um die oben genannten Probleme zu lösen. Einerseits ist das direkte Aufwachsen von Elektrodenmaterialien auf den Kollektor von Vorteil, um die Bildung von „toter Oberfläche“ zu vermeiden, was zu einer Verbesserung der Nutzung führt [10]. Außerdem kann der Kollektor offensichtlich die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode verbessern. Andererseits gelten, inspiriert von der Kinetik, das Design und die Anpassung von Mikrostrukturen von Elektrodenmaterialien als sinnvolles Ideal zur Verbesserung der kapazitiven Leistung. Forscher haben viele Elektrodenmaterialien mit unterschiedlichen Mikrostrukturen konstruiert [11]. Dabei kann eine überlegene kapazitive Leistung durch das Design einer Kern-Schale-Architektur erreicht werden. Dies kann auf den synergistischen Effekt zwischen Bandstruktur und elektronischer Zustandsdichte von Kern- und Schalenmaterialien zurückgeführt werden [12,13,14]. Darüber hinaus beschleunigen die Kernmaterialien die Elektronentransferrate und die Schalenmaterialien bieten angemessene elektrochemische Redox-Aktivzentren. Die traditionelle Kern-Schale-Struktur mit "Ei"-Modell weist jedoch einen erheblichen Mangel auf, da die umhüllten Kernmaterialien aufgrund der Abschirmung der Schalenmaterialien nicht effektiv genutzt werden können. Daher ist die Verbesserung der Nutzung von Kernmaterialien der Schlüssel für die kapazitive Leistung der Kern-Schale-TMOs-Elektrode.

In dieser Arbeit wurde eine neuartige zweidimensionale (2D) verzweigte Kern-Schale-Struktur von NiO-Flakes@CoMoO₄ Nanosheets (NSs) wurde durch eine zweistufige hydrothermale Methode hergestellt, um die erwähnten Nachteile zu beheben. In Bezug auf diese neuartige Struktur, einheitliches CoMoO₄ NSs werden vertikal auf den NiO-Flakes abgeschieden und bilden eine Flocken-Nanoblech-Kern-Schale-Struktur. Diese 2D-verzweigte Kern-Schale-Struktur besitzt die folgenden Vorteile:Erstens bietet die 2D-verzweigte Kern-Schale-Struktur genügend Kontaktflächen zwischen Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien, wodurch genügend elektroaktive Stellen bereitgestellt werden; zweitens die 2D-Eigenschaft von NiO-Flakes und CoMoO₄ NSs verbessern die Elektronensammeleffizienz und beschleunigen die Elektronentransferrate, wodurch die Vorteile in der Elektronentransferkinetik garantiert werden; und drittens die durch die Wechselwirkung von CoMoO₄ . gebildeten Diffusionskanäle NS beschleunigen die Diffusion von Elektrolyten, die für die Nutzung von Kernmaterialien heilsam sind. Darüber hinaus bietet die hochporöse Architektur Zwischenräume zum Abbau von Spannungen, die während des Lade-Entlade-Prozesses entstehen, was die Zyklenstabilität weiter garantiert. Angesichts der oben genannten Vorteile sind die NiO-Flakes@CoMoO₄ Die NSs/NF-Elektrode weist eine hervorragende elektrochemische Leistung in Bezug auf eine hohe spezifische Kapazität von 1097 F/g und eine lange Zyklenstabilität auf (behält nach 2000 Zyklen 97,5 % der ursprünglichen spezifischen Kapazität bei). Die zusammengesetzten asymmetrischen Superkondensatoren (ASCs) von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF//AC/NF haben eine hohe Energiedichte von 25,8 Wh/kg bei einer Leistungsdichte von 894,7 W/kg. Die Ergebnisse zeigen, dass NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs haben potenzielle Anwendungen in Energiespeichergeräten und der Aufbau einer 2D-verzweigten Struktur ebnet einen idealen Weg, um Hochleistungs-TMOs-Elektrodenmaterialien zu erhalten.

Methodenbereich

Synthese von NiO-Flakes/NF

Alle in dieser Arbeit verwendeten Chemikalien wurden von Aladdin-Reagenz gekauft und direkt verwendet. Das Flussdiagramm der Herstellung von Elektrodenmaterialien ist in Abb. 1 dargestellt. Ein Stück NF (1,5 × 3,5 cm ² ) wurde 2 h in 3 M HCl getaucht, um die Oxidschicht zu entfernen, und 12 h bei 60 °C getrocknet. Dann wurde das vorbehandelte NF in 32 ml destilliertes Wasser eingetaucht und in einen 40 ml Edelstahlautoklaven überführt. Anschließend wurde der Autoklav verschlossen und für 24 h bei 140 °C gehalten und natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt (Schritt 1). Die Produkte wurden mehrmals mit entionisiertem Wasser gewaschen und in einer Vakuumkammer bei 60 °C für 24 h getrocknet. Darüber hinaus wurden die vorbereiteten Produkte in einem Quarzrohrofen bei 400 °C für 2 h mit einer Aufheizrate von 0,5 °C/min geglüht (Schritt 2).

Die Synthesedarstellung von NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs-Elektrode

Synthese von NiO-Flakes@CoMoO₄ NS/NF

Kobaltchlorid-Hexahydrat (65,1 mg) (CoCl₂ .) ·6H₂ O) und Natriummolybdat-Dihydrat (50,8 mg) (Na₂ .) MoO₄ ·2H₂ O) wurden unter Rühren in 23 ml entionisiertem Wasser dispergiert. Dann wurden die hergestellten NiO-Flakes/NF für 30 min in die genannte Lösung getaucht und in einen 40 ml-Edelstahlautoklaven überführt. Danach wurde der Autoklav 6 h bei 160 °C gehalten und auf Raumtemperatur abgekühlt (Schritt 3). Die Produkte wurden 2 Minuten lang in entionisiertem Wasser mit Ultraschall behandelt, um die lose adsorbierten Chemikalien zu entfernen, und 12 Stunden lang bei 60 °C im Vakuum getrocknet. Schließlich NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF wurde durch Kalzinieren bei 400 °C für 2 h mit einer Heizrate von 0,5 °C/min in einem Quarzrohrofen erhalten (Schritt 4). CoMoO₄ Flocken/NF wurde nach dem gleichen Verfahren unter Verwendung von NF anstelle von NiO-Flocken/NF hergestellt.

Materialcharakterisierung

Die Kristallstruktur der Produkte wurde mittels Röntgendiffraktometer (XRD, Rigaku D/Max-02400) unter Verwendung von Cu K_α . charakterisiert Strahlung (1.54056 Å) mit einem Arbeitspotential von 20 kV und einem Röhrenstrom von 30 mA. Die Bilder der Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) wurden mit dem Ziess Gemini und Hitachi SU8100 bei einer Betriebsspannung von 5 kV bzw. 3 kV aufgenommen. Die Beobachtungen mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop (HRTEM) wurden auf einer JEM-2100F-Ausrüstung durchgeführt. Die Daten der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurden auf einem Thermo ESCALAB 250Xi-Gerät bei 200 kV aufgezeichnet. Die spezifische Oberfläche und Porenverteilung der Produkte wurden mit BELSORP-max unter Verwendung von hochreinem N₂ . erfasst als Absorptionsgas bei einer Temperatur von 77 K.

Elektrochemische Messungen

Alle elektrochemischen Tests wurden über eine µIII-Autolab-Workstation mit einem Drei-Elektroden-System in 6 M KOH durchgeführt, einschließlich gesättigtem Ag/AgCl als Referenzelektrode, Platinfolie (1 cm × 1 cm) als Gegenelektrode und NiO-Flakes@CoMoO₄ NS/NF (CoMoO₄ Flakes/NF oder NiO Flakes/NF) als Arbeitselektroden (1 cm × 1 cm). Die kapazitive Leistung wurde durch galvanostatische Ladungs-/Entladungs- (GCD) und zyklische Voltammetrie (CV)-Methoden bewertet. Die Daten der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) wurden im Frequenzbereich von 100 kHz bis 0,01 Hz unter Umgebungsbedingungen gesammelt. Die Massenbeladung von NiO-Flocken auf NF wurde durch die Bewertung des verlorenen H₂ . begründet O im Zersetzungsprozess von Ni(OH)₂ , Gl. (1).

Wo m und M repräsentieren die Masse jedes einzelnen Materials bzw. die relative Molekülmasse. Die Massenbeladung von CoMoO₄ NSs auf NiO-Flocken/NF wurden durch Berechnung der Massendifferenz vor der zweiten hydrothermalen Behandlung und nach der zweiten Nachkalzinierung erhalten. Die Massenbeladung von CoMoO₄ Flocken/NF wurde durch Auswertung der Massendifferenz vor und nach der Zubereitung berechnet. Die Massenbeladung von NiO-Flakes und CoMoO₄ NSs direkt auf NF sind 0,79 mg/cm ² und 1,14 mg/cm ² , bzw. Die Massenbeladung von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF beträgt 1,93 mg/cm ² .

Die elektrochemische Leistung von ASCs wurde mit einem Zweielektrodensystem in 6 M KOH gemessen. Darin NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF, NiO-Flocken/NF und CoMoO₄ Als positive Elektroden wurden Flocken/NF aufgebracht. Die negativen Elektroden wurden synthetisiert, indem die Mischung, die handelsüblichen Aktivkohle, Acetylenruß und Polytetrafluorethylen (PTFE) enthielt (Massenverhältnis 8:1:1) enthielt, auf die NF-Oberfläche gegossen wurde. Die Masse der Aktivkohle (AC) wird nach Gl. (2) [15].

Wo C (F/g) ist die spezifische Kapazität, ∆V (V) ist das Spannungsfenster und m (g) ist die Masse der Elektrodenmaterialien.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierungen

Die Phasenstruktur der präparierten Proben wurde durch XRD bestätigt. Wie in Abb. 2a gezeigt, können die beiden starken Beugungspeaks bei 44,3° und 51,7° der Charakteristik von Ni (JCPDS Nr. 65-0380) zugeordnet werden. Nach der ersten hydrothermalen Behandlung wurde eine Reihe neuer Beugungspeaks in Kurve a untersucht. Die signifikanten Peaks können auf der Standardkarte von JCPDS Nr. 01-1047 indiziert werden, was die Bildung von hexagonalen β . anzeigt -Ni(OH)₂ auf NF. Nach der Wärmebehandlung bei 400 °C werden in Kurve b neue Beugungspeaks beobachtet; die gebildeten neuen Peaks werden NiO zugeschrieben (JCPDS Nr. 65-2901), was auf die Zersetzung von β . hinweist -Ni(OH)₂ . Kurve c zeigt das XRD-Muster der Endprodukte. Abgesehen von den Beugungspeaks von NiO stimmen die Peaks bei 26,5 °, 29,1 °, 32,1 °, 33,7° gut mit (002), (310), (\( \overline{1}31 \)) und (\( \overline{2}22 \)) Kristallebenen von CoMoO₄ , bzw. [16,17,18], was auf die erfolgreiche Herstellung von CoMoO₄ . hinweist NSs auf NiO-Flakes/NF. Darüber hinaus werden für alle Proben keine Beugungspeaks von Verunreinigungen untersucht, was die Reinheit der Produkte belegt.

a Die XRD-Muster von Ni(OH)₂ Flocken/NF (Kurve a), NiO-Flocken/NF (Kurve b) und NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF (Kurve c). Die XPS-Spektren von NiO-Flocken@CoMoO₄ NS/NF. b Umfrage. c Co 2p. d Mo 3d. e Ni 2p. f O 1 s

Zur weiteren Bestimmung der Elementkomponente und der chemischen Wertigkeit der Produkte wurden XPS-Messungen durchgeführt. Das in Abb. 2b dargestellte Untersuchungsspektrum bestätigt die Existenz von Co, Mo, Ni und O in den Endprodukten von NiO@CoMoO₄ /NF. Wie in Abb. 2c dargestellt, ist das hochauflösende Spektrum von Co 2p in zwei Hauptpeaks bei 781,3 eV und 797,4 eV unterteilt, die an Co 2p_3/2 . angepasst werden können und Co 2p_1/2 , bzw. [19]. Darüber hinaus sind die beiden Peaks, die sich auf der Seite hoher Bindungsenergie der Hauptpeaks befinden, die entsprechenden Satellitenpeaks. Das Mo 3d-Spektrum in Abb. 2d ist in zwei Peaks von Mo 3d_5/2 . unterteilt (232,2 eV) und Mo 3d_3/2 (235,4 eV), was darauf hinweist, dass das Mo-Element in der Form von Mo ⁶⁺ . vorliegt Oxidationsstufe [20]. Das hochauflösende Spektrum von Ni 2p (Abb. 2e) ist deutlich durch zwei Peaks von Ni 2p_3/2 . gekennzeichnet und Ni 2p_1/2 bei den Bindungsenergien von 856,1 eV bzw. 873,7 eV [21]. In ähnlicher Weise werden die anderen beiden Peaks, die sich auf der Hochenergieseite befinden, im Allgemeinen als Satellitenpeaks betrachtet. Wie in Abb. 2f dargestellt, ist das hochauflösende Spektrum von O 1 s in die drei Oxidationsstufen O1, O2 und O3 unterteilt. Der bei 530,7 eV positionierte O1-Peak kann dem Gittersauerstoff im CoMoO₄ . zugeschrieben werden . Der O2-Peak bei 531,5 eV wird der Metall-Sauerstoff-Bindung in NiO zugeschrieben. Der O3-Peak, der sich bei einer Bindungsenergie von 532,8 eV befindet, ist mit einer Vielzahl von molekularem Wasser verbunden, das an den Produkten adsorbiert ist [19]. In Kombination mit der XRD-Analyse bestätigen die Ergebnisse von XPS die erfolgreiche Synthese von NiO/CoMoO₄ Phase auf NF.

Wie in Abb. 3a dargestellt, viel Ni(OH)₂ Flocken wurden nach der hydrothermalen Behandlung von NF in destilliertem Wasser gebildet. Die Flocken interagieren miteinander und bilden eine poröse 3D-Architektur. Hunderte von Nanometern werden eindeutig zwischen den Flocken untersucht, was genügend Platz für das weitere Wachstum von CoMoO₄ . bietet NS (Abb. 3b). In Abb. 3c zeigt die Morphologie der Flocken fast ein hexagonales Merkmal mit einer Kantenlänge von etwa 1–2 μm und einer Dicke von 30 nm. Nach der Wärmebehandlung ändert sich die globale Morphologie der Flocken nicht signifikant (Abb. 3d–f). Die NiO-Flocken besitzen jedoch reichlich Poren auf der Oberfläche (Abb. 3f), was auf mesoporöse Eigenschaften hinweist. Die gebildeten Poren sind auf den Wasserverlust bei der Wärmebehandlung zurückzuführen. Die poröse Struktur besitzt eine große spezifische Oberfläche und beschleunigt die Elektrolytdiffusion, was der elektrochemischen Kinetik zugute kommt [22]. Nach der zweiten hydrothermalen Behandlung wird die Dicke der Flocken offensichtlich dicker (Abb. 3g). Großes CoMoO₄ NSs werden auf beiden Seiten und der Oberseite der Flocken abgeschieden (Abb. 3h), wodurch eine verzweigte poröse Kern-Schale-Architektur aufgebaut wird. Die verzweigten 2D-Kern-Schale-Flakes haben eine Breite von 200–400 nm, was viel größer ist als die von NiO-Flakes. Das CoMoO₄ NSs haben eine Breite von etwa 100 nm und eine Dicke von etwa 20–35 nm. Das hinterlegte CoMoO₄ NS bieten mehr aktive Zentren für Faraday-Reaktionen und fördern die elektronische Sammel- und Übertragungsrate, was zu einer hervorragenden kapazitiven Leistung führen kann. Andererseits ist die Größe von CoMoO₄ gewachsen auf NF (zusätzliche Datei 1:Abbildung S1) ist deutlich größer als die Größe von CoMoO₄ NSs auf NiO-Flocken, die beweisen, dass NiO-Flocken die Größe von CoMoO₄ . koordinieren können Flocken während des hydrothermalen Prozesses.

Die REM-Bilder von a –c Ni(OH)₂ Flocken/NF, d –f NiO-Flocken/NF und g –ich NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF mit unterschiedlichen Vergrößerungen

Um die Morphologie und Struktur der Produkte weiter zu erforschen, wurden verschiedene Proben mittels Ultraschall gestrippt und mittels HRTEM untersucht. Wie in Abb. 4a gezeigt, Ni(OH)₂ Beispiel zeigt signifikante 2D-Features. Der in Abb. 4b beobachtete Gitterabstand (0,27 nm) entspricht der (100)-Ebene von Ni(OH)₂ (JCPDS-Nr. 01-1047). Nach der Kalzinierung behält die NiO-Probe immer noch eine blattartige Morphologie (Abb. 4c). Außerdem sind deutlich Porenmengen auf den Flocken zu beobachten. Es wird spekuliert, dass die Porenbildung durch den Wasserverlust verursacht wird. Abbildung 4d zeigt die Gitterabstände von 0,242 nm und 0,148 nm, die der Kristallebene von (111) bzw. (220) von NiO (JCPDS Nr. 65-2901) zugeschrieben werden können. Das ausgewählte Flächenelektronenbeugungsmuster (SAED) zeigt die einkristalline Natur der NiO-Flocken (zusätzliche Datei 1:Abbildung S2a). Aus Abb. 4e ist klar, dass CoMoO₄ NSs wachsen vertikal auf der Oberfläche von NiO-Flakes und die Nanoblätter weisen eine Dicke von 25–35 nm auf. Das SAED-Muster in Zusatzdatei 1:Abbildung S2b zeigt polykristalline Merkmale von CoMoO₄ Flocken. Die in Abb. 4f gemessenen Kristallgitterabstände (0,199 nm und 0,196 nm) korrelieren mit der kristallographischen Ebene (\( \overline{4} \)03) und (\( \overline{5} \)11) von CoMoO₄ , bzw. (JCPDS Nr. 21-0868).

HRTEM-Bilder von a , b Ni(OH)₂ Flocken, c , d NiO-Flocken, e , f NiO-Flocken@CoMoO₄ NS; g –ich sind die Stickstoffadsorptions-Desorptions-Isothermen von Ni(OH)₂ Flocken/NF, NiO Flocken/NF und NiO Flocken@CoMoO₄ NSs/NF bzw. Einsätze von (g –ich ) sind die entsprechenden Porengrößenverteilungen

Die N₂ Isotherme Adsorptions-/Desorptionskurven werden üblicherweise gemessen, um die spezifische Oberfläche und Porosität der Produkte zu beurteilen. Wie in Abb. 4g gezeigt, ist die spezifische Oberfläche von Ni(OH)₂ Flocken/NF wird als 28,2 m ² . berechnet /g, und die nach der Kalzinierung erhaltenen NiO-Flocken/NF betragen 45,3 m ² /g (Abb. 4h). Die Vergrößerung der Oberfläche korreliert mit der Porenbildung auf NiO-Flakes (Abb. 4c). Darüber hinaus sind die NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF hat einen viel höheren Wert von 53,5 m ² /g als NiO-Flocken/NF. Die weitere Vergrößerung der Oberfläche kann auf die Bildung von Diffusionskanälen zurückgeführt werden, die durch CoMoO₄ . aufgebaut werden NS. Darüber hinaus sind alle N₂ Die isothermen Adsorptions-/Desorptionskurven gehören zum Typ der IV-Hysterese und zeigen die mesoporöse Eigenschaft der Produkte [23,24,25]. Die mittleren Porendurchmesser von Ni(OH)₂ Flocken/NF, NiO Flocken/NF und NiO Flocken@CoMoO₄ NSs/NF sind 6,13 nm, 6,57 nm bzw. 4,16 nm. Die größere spezifische Oberfläche und die kleinere Porenverteilung sind vorteilhaft für die Erhöhung der aktiven Zentren und die Förderung der Elektrolytdiffusion, was zu einer verbesserten elektrochemischen Leistung führt [22].

Die elektrochemische Leistung von NiO@CoMoO₄ /NF

Die elektrochemische Leistung von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF wird als positive Elektrode für Superkondensatoren bewertet. Die Berechnungsformel der spezifischen Kapazität (C_s ) wird in Gl. (3) [26]:

Wo m ist die Masse der aktiven Materialien, V ist das potentielle Fenster, i ist der Strom und ∆t ist die Entladezeit.

Um eine bessere kapazitive Leistung zu erzielen, NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF, die zu unterschiedlichen Reaktionszeiten (2 h, 4 h, 6 h, 8 h) erhalten wurden, wurden mit GCD bei 1 A/g gemessen. Wie aus Abb. 5a ersichtlich, steigt die spezifische Kapazität mit zunehmender Reaktionszeit bis 6 h. Die spezifische Kapazität nimmt jedoch stark ab, wenn die Reaktionszeit 8 h erreicht. Darüber hinaus sind die GCD-Kurven der verschiedenen Proben (2 h, 4 h und 8 h) in Zusatzdatei 1:Abbildung S3 dargestellt. In Kombination mit den in Zusatzdatei 1:Abbildung S4 gezeigten morphologischen Beobachtungen kann der anfängliche Anstieg der spezifischen Kapazität auf den Massenanstieg von CoMoO₄ . zurückgeführt werden NSs und die Konstruktion einer verzweigten 2D-Kern-Schale-Architektur auf der Oberfläche von NiO-Flakes. Wenn die Reaktionszeit 8 h erreicht, ist die verzweigte Kern-Schale-Architektur fast von dem winzigen CoMoO₄ . bedeckt NSs, was zu Schwierigkeiten in der elektrochemischen Kinetik führt. Somit weist das nach 6 h erhaltene Produkt die beste kapazitive Leistung auf. Darüber hinaus wurde die Selektivität von 160 °C auch in Zusatzdatei 1 diskutiert:Abbildung S5.Die elektrochemische Leistung von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF (6 h) wurde im Vergleich zu NiO-Flocken/NF und CoMoO₄ . weiter untersucht Flocken/NF. Die CV-Kurven von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF (6 h), NiO-Flocken/NF und CoMoO₄ Flocken/NF wurden in Abb. 5b angezeigt. Es ist bekannt, dass die eingekapselte Fläche von CV-Kurven proportional zur spezifischen Kapazität von Elektrodenmaterialien ist. Wie in Abb. 5b gezeigt, kann der CV-verkapselte Bereich von NF im Vergleich zu den anderen drei Elektroden ignoriert werden, was auf einen geringen Beitrag von NF hinweist. Die CV-Kurve von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF (6 h) zeigt die größte eingekapselte Fläche im Vergleich zu NiO-Flocken/NF und CoMoO₄ Flocken/NF, die die höchste spezifische Kapazität aufweisen. Ebenso das CoMoO₄ Flocken/NF-Elektrode weist eine höhere spezifische Kapazität auf als NiO-Flocken/NF. Wie in Abb. 5c dargestellt, die symmetrische GCD-Kurve und die längere Entladezeit von NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF-Elektroden zeugen von herausragender Coulomb-Effizienz und höherer spezifischer Kapazität im Vergleich zu anderen beiden Elektroden unter 1 A/g. Außerdem CoMoO₄ Flocken/NF-Elektrode weist eine längere Entladezeit auf als NiO-Flakes/NF-Elektrode, was eine höhere spezifische Kapazität zeigt. Die Ergebnisse von Abb. 5c stimmen mit der Analyse von CV-Kurven überein. Abbildung 5d zeigt die CV-Kurven von NiO-Flakes@CoMoO₄ NS/NF (6 h) bei unterschiedlichen Scanraten. Anscheinend werden in den CVs Redoxpeaks beobachtet, die die pseudokapazitive Charakteristik von NiO-Flocken@CoMoO₄ . aufdecken NS/NF (6 h). Die CV-Kurve behält auch bei hoher Abtastrate immer noch eine gut definierte Kontur, was eine hocheffiziente Ionen- und Elektronenübertragungsrate demonstriert. Dementsprechend sind die CV-Kurven von NiO-Flakes/NF und CoMoO₄ Flakes/NF zeigen auch typische pseudokapazitive Merkmale (Zusatzdatei 1:Abbildung S6a, b). Der Ladungsspeichermechanismus kann mit dem Redox der Metallzusammensetzung in alkalischer Lösung in Verbindung gebracht werden [27, 28]:

a GCD-Kurven von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF-Elektroden erhalten bei unterschiedlichen Reaktionszeiten (2 h, 4 h, 6 h und 8 h) bei einer Stromdichte von 1 A/g. b CV-Kurven von NiO-Flakes/NF, CoMoO₄ Flocken/NF und NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF-Elektroden mit einer Scanrate von 100 mV/s. c GCD-Kurven von NiO-Flakes/NF, CoMoO₄ Flocken/NF und NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF-Elektroden bei einer Stromdichte von 1 A/g. d CV-Kurven von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF-Elektrode bei unterschiedlichen Scanraten. e GCD-Kurven von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF-Elektrode bei unterschiedlichen Stromdichten. f Das schematische Diagramm der strukturellen Vorteile für NiO-Flakes@CoMoO₄ NS/NF. g Zyklenstabilität verschiedener Elektroden bis zu 2000 Zyklen. h EIS-Spektren von NiO-Flakes/NF, CoMoO₄ Flocken/NF und NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF-Elektroden

Die spezifische Kapazität von NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF wird hauptsächlich aus dem quasi-reversiblen Redox von Co ²⁺ . gewonnen /Co ³⁺ und Ni ²⁺ /Ni ³⁺ , und Mo ist nicht an der Redoxreaktion beteiligt. Darüber hinaus wird der Spitzenstrom von CV linear mit der Sweep-Rate erhöht, was zeigt, dass die typische Polarisation der Elektrode den elektrochemischen kinetischen Prozess steuert [29]. Die GCD-Kurven von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF-Elektrode bei unterschiedlichen Lade-Entlade-Strömen sind in Abb. 5e gezeigt. Die NiO-Flocken@CoMoO₄ Die NSs/NF-Elektrode weist spezifische Kapazitäten von 1097 F/g, 981 F/g, 734 F/g, 504 F/g und 262 F/g bei Stromdichten von 1 A/g, 2 A/g, 5 A/ auf. g, 10 A/g bzw. 20 A/g. Dementsprechend sind die entsprechenden spezifischen Kapazitäten von CoMoO₄ Flocken/NF (zusätzliche Datei 1:Abbildung S6c) und NiO-Flocken/NF (zusätzliche Datei 1:Abbildung S6d) sind 349 F/g, 316 F/g, 248 F/g, 182 F/g, 116 F/g, bzw. 173 F/g, 160 F/g, 139 F/g, 116 F/g, 80 F/g. Anscheinend NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF-Elektrode weist eine höhere spezifische Kapazität auf als die einzelnen NiO-Flakes/NF und CoMoO₄ Flocken/NF-Elektroden, die einen synergistischen Effekt zwischen NiO-Flakes und CoMoO₄ . zeigen NS. Wie in Abb. 5f dargestellt, ist die synthetisierte 2D-Verzweigung von NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF-Komposit bietet vorteilhafte kinetische Bedingungen in Bezug auf effektive Ionentransportkanäle, kurze Ionendiffusionsdistanzen, schnelle Ladungstransferraten und zahlreiche aktive Redoxzentren, was zu einer hervorragenden kapazitiven Leistung führt [30].

Die Zyklenlebensdauer als einer der Schlüsselfaktoren für Superkondensatoren wurde gemessen, indem eine GCD mit 2000 Zyklen bei einer Stromdichte von 2 A/g durchgeführt wurde. Abbildung 5g zeigt, dass die NiO-Flocken@CoMoO₄ Die NSs/NF-Elektrode behält immer noch 97,5% der ursprünglichen spezifischen Kapazität. Die spezifische Kapazität von NiO-Flakes/NF und CoMoO₄ Flocken/NF-Elektroden sinken auf 82,4 % bzw. 70 % ihrer ursprünglichen Kapazität. Die 2D-verzweigte poröse Struktur bietet genügend Freiräume, die für die effektive Spannungsrelaxation der Volumenänderung während des Zyklusprozesses von Vorteil sind, was zu einer hervorragenden Zyklenstabilität führt.

Abschließend wurden die EIS-Spektren der untersuchten Elektroden gemessen und das Ersatzschaltbild als Einschub dargestellt. Wie in Abb. 5h gezeigt, zeigen alle Spektren einen offensichtlichen Halbkreis bei hoher Frequenz und einen linearen Bereich im Niederfrequenzbereich. Der Schnittpunkt mit dem x -Achse und Halbkreisradius repräsentieren den äquivalenten Serienwiderstand (R _s ) und Ladungsübergangswiderstand (R _ct ) an der Elektrodenschnittstelle bzw. Die Steigung des linearen Bereichs entspricht dem Massendiffusionswiderstand (Z _w ). Wie in Zusatzdatei 1 gezeigt:Tabelle S1, die NiO-Flocken@CoMoO₄ NSs/NF-Elektrode hat ein niedrigeres R _s und R _ct (0,4 Ω, 0,21 Ω) als die von CoMoO₄ Flocken/NF (0,58 Ω, 0,93 Ω) und NiO-Flocken/NF (0,48 Ω, 0,72 Ω). Offensichtlich ist das NiO@CoMoO₄ /NF-Elektrode bietet erhebliche Vorteile in der Elektronentransferkinetik und demonstriert potenzielle Anwendungen als ideales Elektrodenmaterial für Superkondensatoren.

Die Leistung von NiO Flakes@CoMoO₄ NSs/NF//AC/NF

Zur Demonstration der praktischen Anwendungen von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF-Verbundelektrode, eine ASC wurde in 6 M KOH gemäß der Darstellung in Abb. 6a zusammengebaut. Im ASC, NiO-Flocken@CoMoO₄ Als positive Elektrode wurde NSs/NF verwendet, gepaart mit handelsüblichem Wechselstrom als negative Elektrode. Wie aus den CV-Messungen in Abb. 6b ersichtlich ist, weist die AC-Elektrode ein rechteckiges Merkmal und die NiO-Flocken@CoMoO₄ . auf Die NSs/NF-Elektrode zeigt signifikante Redoxpeaks, die typische elektrochemische Speichermechanismen von EDLC bzw. pseudokapazitiv aufdecken. Darüber hinaus kann durch die Kombination von positiven und negativen Elektroden ein Potenzialfenster von bis zu 1,8 V erreicht werden. Die CV-Kurven von NiO-Flakes@CoMoO₄ NSs/NF//AC/NF ASC bei verschiedenen Scanraten wurden in Abb. 6c aufgetragen. Die ASC kann auch bei hoher Scan-Rate immer noch mit wohldefinierter Form durchlaufen werden, was auf eine vorteilhafte Kinetik beim Elektronentransfer und Ionentransport hinweist. GCD-Kurven der ASC bei unterschiedlichen Stromdichten von 1 bis 5 A/g wurden in Abb. 6d aufgezeichnet. Die Energiedichte und Leistungsdichte des ASC wurden nach den folgenden Gl. (4) bzw. (5) [31]:

a 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. f 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 NS. 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.

Schlussfolgerung

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.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

AC:

Active carbon

ASC:

Asymmetric supercapacitor

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

EDLCs:

Electric double layer capacitors

EIS:

Elektrochemische Impedanzspektroskopie

EQ:

Equation

FESEM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie

GCD:

Galvanostatic charge-discharge

HRTEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

NF:

Ni foam

NSs:

Nanosheets

PTFE:

Polytetrafluorethylen

TMOs:

Übergangsmetalloxide

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgendiffraktometer