Synthese von kubischen Ni(OH)2-Nanokäfigen durch koordinierte Ätz- und Fällungsroute für Hochleistungssuperkondensatoren

Zusammenfassung

Das rationale Design einer käfigartigen Struktur ist eine effektive Methode zur Verbesserung der kapazitiven Leistung von Übergangsmetallhydroxiden. In dieser Arbeit wurden kubische Ni(OH)2-Nanokäfige (Ni(OH)2 NCs) durch eine koordinierende Ätz- und Präzipitationsroute (CEP) hergestellt. Ni(OH)2-NCs besitzen reichlich aktive Zentren, ausreichende Diffusionskanäle und eine beschleunigte Elektronentransferrate, was für die elektrochemische Kinetik von Vorteil ist. Als positive Elektrode für Superkondensatoren bietet die Ni(OH)2 NCs/Ni Schaum (NF) Elektrode eine hohe spezifische Kapazität von 539,8 F g⁻¹ bei 1 A g⁻¹ , die viel größer ist als die von gebrochenem Ni(OH)2 NCs/NF (Ni(OH)2 BNCs/NF, 87.3 F g⁻¹ bei 1 A g⁻¹ ). Darüber hinaus behält die Ni(OH)2 NCs/NF-Elektrode nach 2000 Zyklen noch 96,9 % ihrer anfänglichen spezifischen Kapazität. Die asymmetrischen Superkondensatoren (ASC) wurden unter Verwendung von Ni(OH)2 NCs/NF und Aktivkohle (AC)/NF als positive bzw. negative Elektroden aufgebaut. Der ASC weist eine höhere Energiedichte von 23.3 Wh kg⁻¹ . auf bei einer Leistungsdichte von 800 W kg⁻¹ im Vergleich zu Ni(OH)2 BNCs/NF (3 Wh kg⁻¹ bei 880 W kg⁻¹ ). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Ni(OH)2 NCs/NF-Elektrode potenzielle Anwendungen im Bereich der Energiespeicherung bietet. Das Design der käfigartigen Struktur ebnet einen effektiven Weg, um Hochleistungselektrodenmaterialien zu erhalten.

Hintergrund

Um die Herausforderungen der Umweltverschmutzung und der Energiekrise zu bewältigen, besteht ein erheblicher Bedarf an der Entwicklung sicherer, erneuerbarer, sauberer und leistungsstarker Energiespeicher als Alternativen zu fossilen Brennstoffen [1, 2]. Superkondensatoren besitzen hervorragende Eigenschaften, um diese Probleme zu erfüllen, wie beispielsweise hohe Leistungsfähigkeit (10–20-mal höher als Batterien), hohe Leistung, kurze Ladezeit und Umweltfreundlichkeit [3, 4]. Elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) und Pseudokondensatoren (PCs) sind die beiden am häufigsten untersuchten Arten von Superkondensatoren. Dabei weisen PCs, die durch Redox auf/nahe der Oberfläche von Übergangsmetalloxid/-hydroxid-Elektroden gesteuert werden, immer eine höhere Energiedichte als EDLCs auf und sind zu den heißen Themen auf diesem Gebiet geworden [5,6,7,8,9,10]. Als typisches Übergangsmetallhydroxid ist Ni(OH)₂ wurde aufgrund des Redoxpaars von Ni³⁺ . als Hochleistungselektrodenmaterial für PCs beschrieben /Ni²⁺ im alkalischen Milieu [11, 12]. Dennoch ist die erworbene spezifische Kapazität von Ni(OH)₂ ist wegen der unzureichenden Ausnutzung des Elektrodenmaterials immer viel niedriger als der theoretische Wert.

Inspiriert von der Kinetik kann die kapazitive Leistung von Elektrodenmaterialien durch das Design von Mikrostruktur und Morphologie vermittelt werden. Große Anstrengungen wurden der Synthese von Ni(OH)₂ . gewidmet Elektrodenmaterialien mit einzigartigen Mikrostrukturen, um eine hocheffiziente Speicherleistung zu erreichen [13, 14]. Dabei wurde die Konstruktion einer käfigartigen hohlen porösen Struktur als ein wirksames Verfahren angesehen, um Hochleistungselektroden zu erhalten. Insbesondere kann eine käfigartige Struktur die innere und äußere Oberfläche voll ausnutzen und genügend redoxaktive Stellen bereitstellen, was zu einer erhöhten spezifischen Kapazität führt. Darüber hinaus bietet die poröse Hülle viele Diffusionswege für den Elektrolyten, was der Reversibilität der Elektrode zugute kommt, was zu einer ausgezeichneten Zyklenstabilität und einer hohen Leistungsfähigkeit führt. Bezüglich der Elektronentransferkinetik verfeinert die nanoskalige dünne Schale den Transferweg von Elektronen und beschleunigt die Elektronentransferrate [15, 16]. Somit höhere kapazitive Leistung von Ni(OH)₂ kann durch das Design einer käfigartigen hohlen porösen Architektur erreicht werden.

Der templatgestützte chemische Prozess ist die häufig verwendete Methode zur Herstellung käfigartiger Architekturen [17, 18]. Die Endprodukte können die geometrische Form der Schablonen genau nachbilden und eine wohldefinierte Morphologie mit enger Größenverteilung beibehalten [19, 20]. In dieser Arbeit wird Ni(OH)₂ NCs wurden mit kubischem Cu₂ . hergestellt O-Kristalle als Opfertemplaten durch Thiosulfat beinhalteten das Prinzip des koordinierenden Ätzens und Ausfällens (CEP). Das synthetisierte Ni(OH)₂ NCs/NF wurde als positive Elektrode für Superkondensatoren und Ni(OH)₂ . verwendet BNCs/NF wurden als Kontrastprobe eingeführt, um die strukturellen Vorteile der käfigartigen Architektur zu bestätigen. Ni(OH)₂ NCs/NF zeigen eine hohe spezifische Kapazität von 539,8 F g⁻¹ bei 1 A g⁻¹ , die viel größer ist als die von Ni(OH)₂ BNCs/NF (87.3 F g⁻¹ bei 1 A g⁻¹ ). Der asymmetrische Superkondensator (ASC) weist eine hohe Energiedichte von 23,3 Wh kg⁻¹ . auf bei 800 W kg⁻¹ , und dieser Wert ist viel größer als der von Ni(OH)₂ BNCs/NF//AC (3 Wh kg⁻¹ bei 880 W kg⁻¹ ). Die Ergebnisse zeigen, dass Ni(OH)₂ NCs/NF-Elektroden bieten eine attraktive Perspektive in Superkondensatoren. Der Weg, eine käfigartige hohle poröse Architektur zu entwerfen, ist auch in anderen Bereichen sinnvoll, beispielsweise bei Sensoren und Katalysatoren.

Methoden/Experimental

Vorbereitung von Cu₂ O-Vorlagen

Kubisches Cu₂ O-Kristalle wurden gemäß unserem vorherigen Bericht synthetisiert [21]. Fünfzig Milliliter NaOH-Lösung (2 M) wurden in das gerührte CuCl₂ . gegeben ·2H₂ O (500 ml, 0,01 M) innerhalb von 3 min bei 55 °C. Nach 30 min Rühren wurden 50 ml 0,6 M Ascorbinsäurelösung tropfenweise zugegeben. Die endgültigen Proben wurden nach 3 h zentrifugiert und im Vakuum getrocknet.

Synthese von Ni(OH)₂ NCs

400 mg Cu₂ O-Templates und unterschiedliche Dosierung von NiCl₂ Die Pulver wurden in einen 1000-ml-Becher gegossen, der 400 ml gemischtes Wasser und Alkohol enthielt (Volumenverhältnis =1:1). Das Massenverhältnis von Cu₂ O-Template und NiCl₂ Leistung wird als 5:1, 2,5:1, 1,67:1 und 1,25:1 (entsprechend NiCl₂ Dosierung beträgt 80 mg, 160 mg, 240 mg bzw. 320 mg). Nach 10&supmin; Ultraschallbehandlung wurden 13,2 mg Polyvinylpyrrolidon (PVP) unter Rühren in der Lösung dispergiert. Nach 30 min 160 ml 1 M Na₂ S₂ O₃ wurde bei Raumtemperatur tropfenweise in die Lösung gegeben. Nach 3 h wurden die Endprodukte durch Zentrifugation gesammelt und in einem Ofen getrocknet. Ni(OH)₂ BNCs wurden durch die Ultraschallbehandlung von Ni(OH)₂ . erhalten NCs für 2 h in Alkohol (Zusatzdatei 1:Abbildung S1).

Materialcharakterisierung

Die Struktur und chemische Zusammensetzung der Produkte wurde durch Röntgenpulverbeugung (XRD, Rigaku D/Max-2400) unter Verwendung von Cu Kα-Strahlung und ESCALAB 250Xi Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, USA) analysiert. Die Morphologien der Produkte wurden auf einem Zeiss Gemini 300 Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) untersucht. Die Beobachtungen mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) wurden an einer FEI F20-Vorrichtung durchgeführt. Die spezifische Oberfläche und das poröse Merkmal wurden auf einem Belsort-max-Instrument gemessen.

Elektrochemische Messungen

Alle elektrochemischen Messungen wurden an einer µIII Autolab Workstation in 3 M KOH mit Pt-Folie (1 cm × 1 cm) und Ag/AgCl (gesättigtes KCl) als Gegen- bzw. Referenzelektroden durchgeführt. Die Arbeitselektroden wurden nach den folgenden Verfahren hergestellt:zuerst die Elektrodenmaterialien (Ni(OH)₂ NCs erhalten bei unterschiedlicher Reaktionszeit und Ni(OH)₂ BNCs), Acetylenruß und Polytetrafluorethylen (5% PTFE) wurden mit einem Massenverhältnis von 80:15:5 in Ethanol vermischt. Dann wurde die Mischung auf NF (1 cm × 1 cm) aufgetragen und in einem Ofen getrocknet. Die Lademasse wurde mit 3,4 mg/cm² . berechnet . Die elektrochemische Leistung wurde durch zyklische Voltammetrie (CV), galvanostatische Ladung-Entladung (GCD) und elektrochemische Impedanz (EIS) untersucht. Die EIS-Tests wurden zwischen 0,01 und 100 kHz mit einer Störamplitude von 5 mV durchgeführt. Die spezifische Kapazität der Elektroden wurde nach folgender Gleichung berechnet:

$$ C=\frac{I\varDelta t}{m\varDelta V} $$ (1)

wo ich ist der Entladestrom (A), t ist die Entladezeit (s), ΔV ist das Potentialfenster (V), m ist die Gesamtmasse (g) der Elektrodenmaterialien. Die ASCs wurden mit Ni(OH)₂ . hergestellt NCs (oder Ni(OH)₂ BNCs)) und AC als positive bzw. negative Elektroden. Die AC-Elektrode wurde durch Auftragen einer Mischung aus AC- und PTFE-Bindemittel (90:10) auf NF (1 cm × 1 cm) hergestellt. Dann wurden die beiden Elektroden zusammen mit einem Separator in 3 M KOH zusammengebaut.

Ergebnisse und Diskussionen

Charakterisierungen

XRD-Muster des präparierten Ni(OH)₂ NCs wurde in Abb. 1a aufgezeichnet. Die beobachteten drei starken Peaks bei 33,1°, 38,5° und 60,2° entsprechen (100), (101) und (003) Kristallebenen von hexagonalem β -Ni(OH)₂ (JCPDS Nr. 14-0117) [22]. XPS-Messungen wurden durchgeführt, um die chemische Zusammensetzung zu bestätigen. Ni-, O- und C-Signale werden im Untersuchungsspektrum deutlich beobachtet, was zeigt, dass die Probe hauptsächlich aus Ni und O besteht. Wie in Abb. 1c gezeigt, liegen die konzentrierten Signale bei 873,7 eV und 856,1 eV mit einem Abstand von 17,6 eV kann Ni 2p_1/2 . zugeschrieben werden und Ni 2p_3/2 von Ni²⁺ _, bzw. [23, 24]. Die Peaks bei 879,9 eV und 861,7 eV sind die entsprechenden Satellitensignale für Ni 2p_1/2 und Ni 2p_3/2, bzw. Wie in Abb. 1d gezeigt, stellt der O1s-Peak bei 531,2 eV ein typisches Merkmal der Ni-O-Ni-Bindung in Ni(OH)₂ . dar [25, 26]. Auf der Grundlage der obigen Diskussionen können die so hergestellten Produkte auf Ni(OH)₂ . zurückgeführt werden Phase.

a XRD-Muster des präparierten Ni(OH)₂ NCs. b –d XPS-Spektren des Ni(OH)₂ NCs. b Umfrage. c Ni 2p. d O 1s

SEM- und TEM-Beobachtungen wurden verwendet, um die Morphologiemerkmale der Produkte weiter zu bestätigen. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S2a zeigt das XRD-Muster des präparierten Cu₂ O. Alle Beugungspeaks können auf JCPDS-Nr. 78-2076, was die erfolgreiche Herstellung von Cu₂ . bestätigt O. REM-Aufnahme von Cu₂ O-Schablonen in Zusatzdatei 1:Abbildung S2b zeigt das kubische Merkmal der Produkte mit einer Kantenlänge von etwa 500 nm. Wie in Abb. 2a zu sehen ist, ist das Ni(OH)₂ Proben behalten nach dem CEP-Prozess eine einheitliche wohldefinierte kubische Morphologie. Das Ni(OH)₂ Würfel haben eine Kantenlänge von 500 nm (Abb. 2b), was ungefähr der von Cu₂ . entspricht O-Vorlagen. Wie aus dem Einschub von Abb. 2b ersichtlich ist, ist die Oberfläche von Ni(OH)₂ Würfel besteht aus Mengen von feinen Partikeln und weist poröse Eigenschaften auf. Das TEM-Bild in Abb. 2c zeigt einen sichtbaren inneren Hohlraum, der das käfigartige Merkmal von Ni(OH)₂ . offenbart Produkte. Wie in Fig. 2d gezeigt, beträgt die Kantenlänge 500 nm, was mit der Beobachtung von SEM übereinstimmt. Darüber hinaus ist die Schalendicke von Ni(OH)₂ NCs wird als 50 nm identifiziert (Abb. 2d). Die Untersuchungen von REM und TEM zeigen die käfigartige Eigenschaft der Produkte. Die käfigartige hohle poröse Struktur bietet eine große Oberfläche und viele Diffusionswege, was den Massentransportprozess begünstigen kann, was zu einer hervorragenden kapazitiven Leistung führt.

a , b SEM und c , d TEM-Bilder von Ni(OH)₂ NCs

Die optischen Fotografien und TEM-Bilder von Ni(OH)₂ NCs wurden zu unterschiedlichen Reaktionszeiten aufgenommen, um den Bildungsmechanismus zu verstehen. Wie in Fig. 3a gezeigt, zeigt die Reaktionslösung bei 5 min eine ziegelrote Farbe, was darauf hinweist, dass im Anfangsstadium nur wenige Reaktionen ablaufen. Danach wird die Farbe der Lösung allmählich heller. Nach 3 h wechselt die Farbe der Lösung in hellgrün, was die Farbe der Endprodukte ist. Wie in Fig. 3b dargestellt, weisen die Produkte aufgrund der Auflösung von Cu₂ . einen teilweise hohlen inneren Hohlraum auf O-Vorlagen bei 5 min. Darüber hinaus wird das Ätzen von internem Cu₂ O trat aufgrund der ausreichenden Diffusionskinetik bevorzugt an der Ecke auf. Das interne Cu₂ O-Kristalle lösen sich kontinuierlich auf, bis sie nach 3 h vollständig verschwinden. Das schematische Diagramm ist in Schema 1 dargestellt. Im Allgemeinen ist der Bildungsmechanismus von Ni(OH)₂ NCs wird unten gezeigt (Gl. (2)):

$$ {\mathrm{Ni}}^{2+}+2{\mathrm{OH}}^{-}\to \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 $$ (2)

a Die optischen Aufnahmen des Reaktionssystems zu einer anderen Reaktionszeit. b TEM-Bilder der Produkte, die bei verschiedenen Reaktionszeiten erhalten wurden

Schematische Darstellung des Entstehungsprozesses

Ni²⁺ Ionen in Gl. (2) sind die absorbierten Ni²⁺ auf der Oberfläche von Cu₂ O-Kristalle (Schritt 1). OH⁻ Ionen in Gl. (2) werden von der Korrosion von Cu₂ . freigesetzt O-Kristalle (Gl. (3)) und Hydrolyse von S₂ O₃ ^2- (Gleichung (4)).

$$ {Cu}_2O+{xS}_2{O_3}^{2-}+{H}_2O\to {\left[{Cu}_2{\left({S}_2{O}_3\right)}_x \right]}^{2-2x}+2{OH}^{-} $$ (3) $$ {\mathrm{S}}_2{{\mathrm{O}}_3}^{2-}+ {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{H}\mathrm{S}}_2{{\mathrm{O}}_3}^{2-}+{\mathrm{O} \mathrm{H}}^{-} $$ (4)

Gleichungen (3) und (4) sind der Mechanismus für S₂ O₃ ²⁻ beteiligter CEP-Prozess, der in den Schritten 2 und 3 stattfindet. Der detaillierte kinetische Prozess ähnelt der Bildung von Co(OH)₂ NCs in unserem veröffentlichten Artikel [27]. Der Transport von S₂ O₃ ²⁻ in Richtung Cu₂ O bestimmt die Korrosionsrate und das freigesetzte OH⁻ Ionen aus dem Inneren zeigen die Wachstumsrate von Ni(OH)₂ NCs. Die kooperative Steuerung der beiden Prozesse führt zur Bildung von wohldefiniertem Ni(OH)₂ NCs.

Abb. 4 zeigt die N₂ Adsorptions-Desorptions-Isothermenkurven von Ni(OH)₂ NCs und Ni(OH)₂ BNCs. Die BET-Oberfläche von Ni(OH)₂ NCs beträgt 54,7 m² /g, was viel größer ist als das von Ni(OH)₂ BNCs (38,1 m² .) /g). Die Ergebnisse zeigen, dass die hohle poröse Architektur Ni(OH)₂ NCs mit größerer spezifischer Oberfläche. Die Porengrößenverteilungen (Einschübe von a und b) zeigen die mesoporöse Struktur von Ni(OH)₂ NCs und Ni(OH)₂ BNCs. Das Porenvolumen von Ni(OH)₂ NCs werden als 0,25 cm³ . berechnet /g, was größer ist als Ni(OH)₂ BNCs (0,19 cm³ /g). Weiterhin wird für Ni(OH)₂ . eine konzentrierte Porenverteilung zwischen 2,7 und 6,1 nm untersucht NCs, die mit dem Zwischenraum zwischen Nanopartikeln zusammenhängen. Für Ni(OH)₂ . wird jedoch keine offensichtlich konzentrierte Porenverteilung beobachtet BNCs, die die Zerstörung geordneter Diffusionskanäle aufdecken. Die große Oberfläche und die geordneten Diffusionskanäle sind für die elektrochemische Kinetik von Vorteil, was zu einer hervorragenden kapazitiven Leistung führt.

BET-Messungen von a Ni(OH)₂ NCs und (b) Ni(OH)₂ BNCs. Einsätze von a und b sind die entsprechenden Porengrößenverteilungen von Ni(OH)₂ NCs und Ni(OH)₂ BNCs bzw.

Elektrochemische Leistung von Ni(OH)₂ NCs

Um die besten kapazitiven Eigenschaften zu erzielen, wird Ni(OH)₂ NCs mit unterschiedlicher Schalendicke wurden durch Kontrolle der Dosierung von NiCl₂ . hergestellt Pulver. Wie in Fig. 5 gezeigt, nimmt die Schalendicke offensichtlich von 27,4 auf 76,7 nm mit der Zunahme des Massenverhältnisses von 5:1 auf 1,67:1 zu. Die Schalendicke steigt jedoch nur geringfügig von 76,7 nm auf 79 nm mit dem weiteren Anstieg des Massenverhältnisses auf 1,25:1. Die Ergebnisse können auf die kinetischen Schwierigkeiten bei der Massendiffusion zurückgeführt werden, die durch die Behinderung der Schale verursacht werden. Die GCD-Kurven von Ni(OH)₂ NCs erhalten mit verschiedenen NiCl₂ Die Dosierung wurde gemessen und die Daten wurden in Fig. 6a aufgezeichnet. Es ist klar, dass die Probe mit Cu₂ O/NiCl₂ 2,5:1 zeigt die längste Entladezeit unter 4 A/g an, was die beste kapazitive Leistung anzeigt. Dieses Ergebnis ist auf die geeignete Massentransportkinetik zurückzuführen, die sich aus der moderaten Schalendicke ergibt. Darüber hinaus ist die kapazitive Leistung von Ni(OH)₂ NCs erhalten mit Cu₂ O/NiCl₂ 2,5:1 wurde kontrastiv mit Ni(OH)₂ . bewertet BNCs. Wie in Abb. 6b gezeigt, werden deutliche Redoxpeaks in den CV-Kurven von Ni(OH)₂ . beobachtet NCs und Ni(OH)₂ BNCs, die pseudokapazitive Eigenschaften der beiden Elektroden aufdecken. Der Redoxprozess entspricht dem Speichermechanismus von Ni(OH)₂ /NiOOH-Redoxpaar, das in Gl. (5) [28, 29].

$$ \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+{\mathrm{OH}}^{-}\leftrightarrow \mathrm{Ni}\mathrm{OOH}+{\mathrm{H }}_2\mathrm{O}+{e}^{-} $$ (5)

a –d TEM-Bilder von Ni(OH)₂ NCs mit unterschiedlichem Massenverhältnis von Cu₂ . erhalten O/NiCl₂ . e –h TEM-Bilder der entsprechenden Schalen von a –d

a GCD-Kurven der erhaltenen Produkte mit unterschiedlichem Massenverhältnis von Cu₂ O/NiCl₂ bei 4 A g⁻¹ . b Die CVs von Ni(OH)₂ NCs/NF und Ni(OH)₂ BNCs/NF bei einer Abtastrate von 60 mV/s. c Die CVs von Ni(OH)₂ NCs/NF bei unterschiedlichen Abtastraten. d GCD-Kurven von Ni(OH)₂ NCs/NF und Ni(OH)₂ BNCs/NF bei 1 A g⁻¹ . e GCD-Kurven von Ni(OH)₂ NCs/NF bei unterschiedlichen Stromdichten. f Das Schema der Ladungsspeichervorteile für Ni(OH)₂ NCs. g Zyklenstabilität von Ni(OH)₂ NCs/NF bei 8 A g⁻¹ . h Die EIS-Spektren von Ni(OH)₂ NCs/NF und Ni(OH)₂ BNCs/NF

Der CV-verkapselte Bereich von Ni(OH)₂ NCs ist viel größer als das von Ni(OH)₂ BNCs, die eine höhere spezifische Kapazität aufweisen. Die CVs von Ni(OH)₂ NCs bei verschiedenen Abtastraten sind in Fig. 6c dargestellt. Die CV-Kurve behält selbst bei einer hohen Abtastrate von 100 mV/s immer noch eine gut definierte Form, was eine hervorragende Ratenfähigkeit und eine hohe elektrochemische Reversibilität demonstriert. Darüber hinaus steigt der Spitzenstrom linear mit der Quadratwurzel der Abtastraten an, was zeigt, dass die Volumendiffusion der dominierende Faktor ist (Zusatzdatei 1:Abbildung S3). Wie in Abb. 6d dargestellt, sind die GCD-Kurven von Ni(OH)₂ NCs zeigen eine längere Entladezeit als Ni(OH)₂ BNCs bei 1 A g⁻¹ , was beweist, dass Ni(OH)₂ NCs weisen eine höhere spezifische Kapazität auf als Ni(OH)₂ BNCs. Abb. 6e zeigt die GCD-Kurven von Ni(OH)₂ NCs bei unterschiedlichen Stromdichten. Die berechneten spezifischen Kapazitäten für Ni(OH)₂ NCs sind 539,8, 445,5, 409,4, 391,3, 360,2 und 340,7 F g⁻¹ bei 1, 2, 3, 4, 5 und 6 A g⁻¹ , bzw. (Zusatzdatei 1:Abbildung S4). Diese Werte berechnet für Ni(OH)₂ BNCs sind 87,3, 77,4, 72,9, 67,8, 64,1 und 60,5 F g⁻¹ bei entsprechender Stromdichte (Zusatzdatei 1:Abbildung S5). Die strukturellen Vorteile von Ni(OH)₂ NCs sind in Abb. 5f dargestellt. Erstens bietet das käfigartige Merkmal Mengen an aktiven Zentren für Faraday-Reaktionen. Zweitens verkürzt die poröse dünne Schale die Wanderungsstrecke der Elektronen, was zu einer hohen Elektronentransferrate führt. Drittens bietet die poröse Hülle ausreichende Diffusionskanäle für den Elektrolyten, wodurch die Nutzungsrate von Ni(OH)₂ . verbessert wird . Zyklenstabilität von Ni(OH)₂ NCs wurden durch Wiederholung der GCD-Messungen bei 8 A g⁻¹ . bewertet (Abb. 6 g). Es ist zu beachten, dass die spezifische Kapazität nach 2000 Zyklen immer noch 96,9 % ihres ursprünglichen Wertes beibehält, was viel größer ist als die von Ni(OH)₂ BNCs (61,5%, Zusatzdatei 1:Abbildung S6). Wie im Einschub gezeigt, unterscheiden sich die letzten 10 Zyklen kaum von den ersten 10 Lade-Entlade-Zyklen, was eine ausgezeichnete Stabilität aufzeigt. Die geringe Dämpfung der Kapazität kann auf die geringe Ablösung von Ni(OH)₂ . zurückgeführt werden NCs aus NF. Der innere Hohlraum und die Poren in der Schale bieten genügend Platz für die Freisetzung von Spannungen während des Zyklusprozesses [30].

Um die Vorteile der käfigartigen Struktur in der Kinetik zu bestätigen, wurden EIS-Spektren in Abb. 6h aufgenommen und das Ersatzschaltbild in Zusatzdatei 1:Abbildung S7 dargestellt. Das Ersatzschaltbild besteht hauptsächlich aus Rs, Rct, Zw, CPE und CL. Darin ist Rs der Innenwiderstand des Elektrodensystems. Rct ist der Ladungsübergangswiderstand bezogen auf den Halbkreisradius in EIS-Spektren. Zw ist die Warburg-Impendenz, die der Steigung von EIS bei hoher Frequenz entspricht. Obwohl Ni(OH)₂ NCs/NF-Elektrode hat mehr oder weniger den gleichen Rs-Wert (0,27 Ω) im Vergleich zu Ni(OH)₂ BNCs/NF (0,25 Ω), Ni(OH)₂ NCs/NF hat einen viel niedrigeren Rct (120.8 Ω) als der von Ni(OH)₂ BNCs (976.5 Ω), die eine höhere Elektronentransferrate zeigen. Die hohe Elektronenübertragungsrate kann einer ausreichend dünnen Schale von Ni(OH)₂ . zugeschrieben werden NCs. Offenbar Ni(OH)₂ NCs/NF-Elektrode weist eine viel größere Steigung auf als Ni(OH)₂ BNCs/NF, die einen direkteren Diffusionsprozess demonstrieren. Die ungehinderte Diffusion kann auf die geordneten Kanäle und die poröse Eigenschaft von Ni(OH)₂ . zurückgeführt werden NCs/NF-Elektrode. Auf der Grundlage der obigen Diskussionen ist Ni(OH)₂ NCs/NF-Elektrode besitzt signifikante Vorteile in der elektrochemischen Kinetik gegenüber Ni(OH)₂ BNCs/NF.

Elektrochemische Leistung des ASC-Geräts

Das ASC-Gerät aus Ni(OH)₂ NCs/NF//AC wurde gemäß Abb. 7a konstruiert. Ni(OH)₂ NCs/NF-Elektrode und AC wurden durch ein Zellulosepapier getrennt. Wie in Fig. 7b dargestellt, weist die CV-Kurve der AC-Elektrode ein nahezu rechteckiges Merkmal auf, das einen typischen EDLC-Speichermechanismus zeigt. Darüber hinaus kann die AC-Elektrode innerhalb von − 1 bis 0 V und Ni(OH)₂ . zyklisch betrieben werden NCs/NF-Elektroden können innerhalb von 0 bis 0,6 V zyklisch betrieben werden, was zeigt, dass das ASC-Gerät eine Betriebsspannung von 1,6 V liefert. Die in Abb. 7c gezeigten CV-Kurven zeigen selbst bei hohen Abtastraten eine wohldefinierte Form, was eine ausgezeichnete Masse impliziert Transportkinetik und hervorragende Reversibilität. GCD-Kurven des ASC-Bauelements bei verschiedenen Stromdichten wurden in Fig. 7d gezeigt. Die Energiedichte und Leistungsdichte des Geräts wurden gemäß Fig. 7d berechnet. Eine Energiedichte von 23.3 Wh Kg⁻¹ wird bei einer Leistungsdichte von 800 W Kg⁻¹ . erreicht . Eine Energiedichte von 9,6 Wh Kg⁻¹ wird selbst bei einer hohen Leistungsdichte von 8000 W Kg⁻¹ . noch erhalten . Die Energiedichte ist viel größer als die von Ni(OH)₂ BNCs/NF//AC ASC (Zusatzdatei 1:Abbildung S8, 3 Wh Kg⁻¹ bei 880 W Kg⁻¹ ). Darüber hinaus ist die maximale Energiedichte des ASC auch größer als die von Ni(OH)₂ -basierte Materialien [31, 32]. Die Zyklenstabilität wurde durch wiederholte GCD-Messungen bei 4 A g⁻¹ . geschätzt für 2000 Zyklen. Die endgültige spezifische Kapazität behält immer noch 90,1% ihres größten Wertes und dieser Wert ist viel größer als der von Ni(OH)₂ BNCs/NF//AC ASC (Zusatzdatei 1:Abbildung S9, 60%). Darüber hinaus ähneln die letzten zehn GCD-Kurven den ersten zehn Zyklen und zeigen eine ausgezeichnete Stabilität des ASC-Geräts. Wie in Fig. 7f gezeigt, ist Ni(OH)₂ NCs behalten nach 2000 Zyklen immer noch die einheitliche kubische käfigartige Morphologie, was die ausgezeichnete Zyklenstabilität weiter demonstriert. Der Verlust der spezifischen Kapazität kann auf die geringe Menge an aktivem Material zurückgeführt werden, die aus NF tropft.

a Schema des Ni(OH)₂ NCs/NF//AC-Gerät. b Die CVs von AC und Ni(OH)₂ NCs/NF-Elektroden in einem Drei-Elektroden-System. c Die CVs von Ni(OH)₂ NCs/NF//AC ASC zwischen 0 und 1,6 V. d GCD-Kurven des ASC bei verschiedenen Stromdichten zwischen 0 und 1,6 V. e Zyklenstabilität der ASC während 2000 Zyklen bei 4 A g⁻¹ . f Die SEM-Bilder der positiven Elektrode vor und nach dem Zyklus

Schlussfolgerungen

Insgesamt Ni(OH)₂ NCs wurden erfolgreich durch ein CEP-Verfahren konstruiert und als Elektrode für Superkondensatoren verwendet. Ni(OH)₂ NCs weisen eine große spezifische Oberfläche von 54,7 m² . auf /g und eine konzentrierte Porengrößenverteilung zwischen 2,7 und 6,1 nm. Die dünne Schale verkürzt den Übertragungsweg und verbessert die Elektronenübertragungsrate. Als positive Elektrode für Superkondensatoren Ni(OH)₂ NCs/NF zeigen eine spezifische Kapazität von 539,8 F g⁻¹ bei 1 A g⁻¹ , die viel größer ist als die von Ni(OH)₂ BNCs/NF//AC (87,3 F g⁻¹ bei 1 A g⁻¹ ). Die spezifische Kapazität behält nach 2000 Zyklen noch etwa 96,9 % ihres Anfangswertes. Die ASC von Ni(OH)₂ NCs/NF//AC besitzt eine Energiedichte von 23.3 Wh Kg⁻¹ bei 800 W Kg⁻¹ , die viel größer ist als die von Ni(OH)₂ BNC (3 Wh Kg⁻¹ bei 880 W Kg⁻¹ ). Die Ergebnisse zeigen, dass das entworfene Ni(OH)₂ NCs haben potenzielle Anwendungen im Bereich der Energiespeicherung.