Nickel-Kobalt-Hydroxide mit abstimmbaren Dünnschicht-Nanoblättern für Hochleistungs-Superkondensatorelektroden

Einführung

Als umweltfreundlicher Energiespeicher zieht der Superkondensator aufgrund seiner einzigartigen Vorteile wie langer Zyklenlebensdauer, überlegener Reversibilität, hoher Leistungsdichte und großer Zuverlässigkeit viel Aufmerksamkeit auf sich [1,2,3]. In den letzten Jahren wurde es potenziell in vielen zukünftigen Anwendungen wie Elektroautos, intelligenten tragbaren Geräten und tragbaren Computern eingesetzt, was für die zukünftige Energienutzung und -speicherung von großer Bedeutung ist. Die geringere Energiedichte von Superkondensatoren war jedoch schon immer ein wichtiger Grund, ihre Weiterentwicklung einzuschränken. Es ist bekannt, dass der entscheidende Faktor zur Bestimmung der Kapazität von Superkondensatoren die elektrochemische Eigenschaft des Elektrodenmaterials ist. Daher besteht derzeit die Hauptlösung darin, Elektrodenmaterialien mit ausgezeichneten elektrochemischen Eigenschaften zu entwickeln [4,5,6,7,8,9]. Als Superkondensatorelektroden werden hauptsächlich Kohlenstoffmaterialien [10,11,12,13], Übergangsmetalloxide [14], Übergangsmetallhydroxide (TMHs) [15,16,17] und leitfähige Polymere [18] verwendet. Unter ihnen sind multihybride Nanomaterialien von TMHs aufgrund ihres synergistischen Effekts, der überlegenen Kontrollierbarkeit der chemischen Zusammensetzung, der hervorragenden Redoxaktivität und der hervorragenden Anionenaustauschleistung zu einem starken Forschungstrend geworden. Als typisches TMH wird Nickel-Kobalt-Hydroxid wegen seines geringen Preises, des einfachen Herstellungsprozesses und der hohen theoretischen Kapazität bevorzugt. Es ist jedoch nach wie vor eine große Herausforderung, mit einem einfachen Verfahren leistungsstarke Elektrodenmaterialien aus Nickel-Kobalt-Hydroxiden zu erhalten.

Die elektrochemischen Eigenschaften von Nickel-Kobalt-Hydroxiden hängen maßgeblich von den speziellen morphologischen Nanostrukturen [19,20,21,22,23] und der Zusammensetzung der Metallionen [24, 25] ab. In früheren Studien haben Wu et al. [26] synthetisierten Vanadium-dotierte hierarchische poröse Nickel-Kobalt-Doppelhydroxid-Nanoblatt-Arrays, die eine hohe spezifische Kapazität von 2960 F g ⁻¹ . lieferten bei einer Stromdichte von 1 A g ⁻¹ . Yanet al. [27] entwarfen die hohlen Mikrokügelchen aus Nickel-Kobalt-Doppelhydroxid mit einer hortensienähnlichen Morphologie, die eine spezifische Kapazität von 2158.7 F g ⁻¹ . aufwiesen unter einer Stromdichte von 1 A g ⁻¹ . Andere Anstrengungen wurden unternommen, um den Widerstand zu verringern, die elektrische Leitfähigkeit von Elektrodenmaterialien zu erhöhen und andere spezielle Morphologien mit hoher spezifischer Oberfläche zu erhalten. Wenn aktives Material auf der Oberfläche des Substrats gezüchtet wurde, würde es eine geschichtete dreidimensionale Struktur bilden, die den vollständigen Kontakt zwischen Elektrolytionen und aktivem Material sicherstellen und die Reaktionseffizienz verbessern könnte. Darauf aufbauend haben Ouyang et al. [28] erhielt eine hohe spezifische Kapazität von 2047 F g ⁻¹ bei einer Stromdichte von 1 A g ⁻¹ durch die Herstellung hierarchisch strukturierter kugelförmiger Nickel-Kobalt-geschichteter Doppelhydroxidpartikel, die auf porösem Kohlenstoff aus Biomasse gewachsen sind. Zhaet al. [29] entwarfen und fertigten erfolgreich hochoffene Nickel-Kobalt-Sulfid-Nanoblätter auf Ni-Schaum, die einen niedrigen Widerstand und eine hohe spezifische Kapazität von 2553.9 F g ⁻¹ . aufwiesen unter einer Stromdichte von 0,5 A g ⁻¹ . Obwohl in früheren Studien zu Nickel-Kobalt-Schichthydroxiden große Fortschritte erzielt wurden, bleibt die spezifische Kapazität der meisten von ihnen als Elektrodenmaterialien leider immer noch unter 3000 F g ⁻¹ .

In dieser Arbeit schlagen wir eine einfache und effektive Strategie vor, um NiCo-LDHs auf dem Nickelschaum zu wachsen und die Nanostrukturen von Elektrodenmaterialien anzupassen, um die Ladungsspeicherkapazität zu verbessern. Die NiCo-LDHs werden durch ein einstufiges hydrothermales Verfahren hergestellt, wobei die Struktur, einschließlich Dispersität, Dicke und Porosität, durch Verringerung des Harnstoffgehalts bei einem festen Ni-zu-Co-Massenverhältnis von 3:1 leicht abgestimmt werden kann. Das optimale NiCo-LDH-1 weist dünnschichtige Nanoblätter mit einer Dicke von etwa 1,62 nm und offensichtlich porösen Strukturen auf. Die poröse Dünnschichtstruktur kann reichlich aktive Zentren für die Redoxreaktion bereitstellen, die Affinität der Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien erhöhen und den Diffusionswiderstand und die Migrationsstrecke von Elektrolytionen verringern. Als Ergebnis weist NiCo-LDH-1 eine ultrahohe spezifische Kapazität von 3982,5 F g ^-1 . auf unter der Stromdichte von 1 A g ⁻¹ , und hohe Kapazitätserhaltung von über 93,6% nach 1000 Lade- und Entladezyklen bei einer hohen Stromdichte von 10 A g ⁻¹ . Die ausgezeichnete elektrochemische Leistung von NiCo-LDH-1 wird weiter durch den Zusammenbau eines asymmetrischen Zwei-Elektroden-Superkondensators mit Kohlenstoffkugeln belegt, der eine spezifische Kapazität von 95 F g ⁻¹ . aufweist bei 1 A g ⁻¹ und die Kapazitätserhaltung mit 78% über 1000 Zyklen.

Methoden

Der Nickelschaum (NF, 1 cm ² ), die in dem Experiment verwendet wurde, wurde von Canrd Co., Ltd., China, bereitgestellt. Vor der Verwendung wurde es in 2 M HCl 15 Minuten lang mit Ultraschall behandelt, um das an der Oberfläche anhaftende Oxid zu entfernen, und dann mit großen Mengen entionisiertem Wasser und Ethanol gewaschen, um Ionen von der Oberfläche zu entfernen. Danach wurde es 3,5 h bei 60 °C im Vakuum getrocknet. Alle anderen Chemikalien waren von analytischer Qualität, wurden von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. in China bezogen und ohne weitere Reinigung verwendet.

In einem typischen Verfahren zunächst 0,06 g NiCl₂ ·6H₂ O und 0,02 g CoCl₂ ·6H₂ O wurden in 80 ml entionisiertem Wasser unter Ultraschall für 15 Minuten gelöst. Zweitens wurde Harnstoff in die gemischte Lösung gegeben und 10 Minuten lang mit Ultraschall behandelt, bis der Feststoff vollständig dispergiert war. Dann wurden NFs mit hitzebeständigem Klebeband auf einer Seite schräg auf den Boden eines teflonbeschichteten Edelstahlautoklaven nach Messung seiner Masse befestigt. Schließlich wurde die homogene Lösung in den Autoklaven überführt und anschließend 8 h bei 100 °C gehalten. Nach der Reaktion wurden die mit NiCo-LDHs abgeschiedenen gekühlten NFs herausgeholt und mit entionisiertem Wasser gewaschen, um an der Oberfläche haftende Verunreinigungen zu entfernen, und dann bei 60 °C für 4 h unter Vakuumbedingungen getrocknet. Die Gesamtgehalte an Harnstoff betrugen 0,0075, 0,015 bzw. 0,03 g, entsprechend den Proben von NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 und NiCo-LDH-3. Die Probe, die auf die gleiche Weise wie die oben genannten hergestellt wurde, jedoch ohne Zugabe von Harnstoff, wurde als NiCo-LDH-0 bezeichnet.

Das automatische Röntgendiffraktometer (XRD, D8 Advance) wurde verwendet, um die Kristallstruktur von Materialien zu messen. Ein Röntgen-Photoelektronenspektrometer (XPS, ESCALAB 250Xi) wurde verwendet, um die Elementvalenz und den Gehalt von Materialien zu messen. Ein Hoch- und Niedervakuum-Rasterelektronenmikroskop (SEM, JSM-6360LV) wurde verwendet, um die Morphologie und Zusammensetzung der Mikrostruktur der Probenoberfläche zu beobachten. Zur Beobachtung der Ultrastruktur des Materials wurde ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM, TF20 Jeol 2100F) verwendet. Das Rasterkraftmikroskop (AFM, Dimension Icon) wurde verwendet, um die Informationen über die Oberflächentopographiestruktur und die Oberflächenrauheitsinformationen mit Nanometerauflösung zu erhalten. Energiedispersive Röntgenspektroskopie-Element-Mapping (EDS-Mapping) wurde verwendet, um die Verteilung der Elemente zu messen.

Ein typisches Drei-Elektroden-System in 1 M KOH-Lösung wurde verwendet, um die elektrochemische Leistung zu testen. Der mit Elektrodenmaterial gewachsene Nickelschaum diente als Arbeitselektrode, und die Platinplatte und die gesättigte Kalomelelektrode wurden als Gegenelektrode bzw. Referenzelektrode verwendet ), elektrochemische Impedanz (EIS) und Zyklenstabilitätstests wurden gemessen. Die spezifische Kapazität C _c (F g ⁻¹ ) und spezifische Kapazität Q (C g ⁻¹ ) der Proben kann gemäß den durch galvanostatische Entladungskurven erhaltenen Parametern berechnet werden, und die Ausdrücke sind wie folgt:

wo ich (A) stellt den Entladestrom dar; Δt (s) bedeutet die Entladezeit; V (V) gibt das Entladungspotentialfenster an; und m (g) entspricht der Masse des aktiven Materials, etwa 0,0012 g.

Ein asymmetrischer Superkondensator (ASC) wird in einem Zwei-Elektroden-System hergestellt, nachdem die Ladungen um Q_s+ . ausgeglichen wurden m_s+ = Q_s- m_s- . Als positive Elektrode wird NiCo-LDH-1/NF verwendet, und die negative Elektrode wird durch Mischen von Kohlenstoffkugeln, Ruß und PTFE im Verhältnis 8:1:1 auf dem NF erhalten. Der Elektrolyt ist derselbe wie im Drei-Elektroden-System, und der Bereich der Potenzialfenster für ASC beträgt 0 ~ 1,4 V. Um die praktischen elektrochemischen Leistungen zu untersuchen, wird die spezifische Energiedichte E _c (Wh kg ⁻¹ ) und spezifische Leistungsdichte P _c (W kg ⁻¹ ) für die asymmetrische Konfiguration werden wie folgt berechnet:

wo ich (A) stellt den Entladestrom dar; Δt (s) gibt die Entladezeit an; V (V) entspricht den potentiellen Fenstern; m (g) bedeutet die gesamte aktive Masse der positiven und negativen Elektroden, etwa 0,0065 g.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 veranschaulicht die Mikrostrukturen und Morphologien von NiCo-LDHs, die auf NF mit unterschiedlichem Harnstoffgehalt gewachsen sind. Abbildung 1a–l zeigt die SEM-Bilder, die AFM-Bilder bzw. die Dicke der Proben. Wie in Abb. 1a gezeigt, weist das synthetisierte NiCo-LDH-3 blattartige Strukturen auf, die in horizontaler Richtung parallel zur NF gestapelt und verwoben sind. Die flächigen Strukturen sind uneben und haben eine starke Haftung. Wenn der Harnstoffgehalt allmählich abnimmt, wachsen die NiCo-LDHs allmählich in vertikaler Richtung und stehen senkrecht zum NF. Wie in Abb. 1c gezeigt, werden, wenn der Harnstoffgehalt auf 0,0075 g reduziert wird, die Nanoblätter von NiCo-LDH-1 verwoben und auf der Oberfläche des NF verteilt, was eine offensichtliche dreidimensionale Struktur und reiche Porenstrukturen dazwischen bildet die Schichten. Die Morphologien dieser Nanoblätter sind vorteilhaft, um die spezifische Oberfläche der Elektrode zu erhöhen, um reichlich reaktive Zentren für die Reaktion bereitzustellen [30]. Daher kann es die Kontaktoberfläche mit dem Elektrolyten signifikant vergrößern, um die elektrochemische Reaktion zu fördern und eine große spezifische Kapazität in der elektrochemischen Reaktion beizutragen [31]. Abbildung 1e–l sind die AFM-Bilder zum Nachweis der Dicken von NiCo-LDHs-Nanoblättern. Für die Proben von NiCo-LDH-3, NiCo-LDH-2 und NiCo-LDH-1 betragen die entsprechenden Dicken 3,29, 2,52 bzw. 1,62 nm. Es zeigt sich, dass die Dicke der Nanoschichten des Materials mit abnehmendem Harnstoffgehalt allmählich abnimmt. Die ultradünne Struktur in NiCo-LDH-1 bietet gute Voraussetzungen für die Ausbildung der Porenstruktur und verkürzt den Weg zum Ionentransfer. Die REM-Aufnahme von NiCo-LDH-0 (Abb. 1d) zeigt jedoch, dass die ohne Zugabe von Harnstoff hergestellte Probe ebenfalls flächige Strukturen aufweist, jedoch mit einer Dicke von 3,31 nm (Abb. 1h, l) dicker ist als diese anderer Proben, die mit Harnstoff hergestellt wurden. Dies impliziert, dass die Mikrostrukturen und Morphologien von NiCo-LDHs durch den Gehalt des Harnstoffs beeinflusst werden können. Bei der Gewinnung der Proben mit Harnstoff zersetzt sich der Harnstoff langsam in NH₃ und CO₂ bei der hohen Temperatur und produziert weiter CO₃ ²⁻ , NH₄ ⁺ und OH ⁻ Ionen durch die Reaktion mit Wasser. Unter der Bedingung eines geringeren Harnstoffgehalts, Co ²⁺ und Ni ²⁺ Ionen haben wenige Kontaktstellen mit OH ⁻ , die die dünneren Nanoblattstrukturen bilden [32]. Dennoch tritt während des Prozesses der ohne Harnstoff hergestellten Probe kein Ätzen auf. Als Ergebnis wird die Dicke der Probe ohne Zugabe von Harnstoff im Vergleich zu den mit Harnstoff erhaltenen Proben dicker.

a –d REM-Aufnahmen der Proben:a NiCo-LDH-3, b NiCo-LDH-2, c NiCo-LDH-1, d NiCo-LDH-0; e –h AFM-Bilder der Probe:e NiCo-LDH-3, f NiCo-LDH-2, g NiCo-LDH-1, h NiCo-LDH-0; ich –l die Dicken der Proben:i NiCo-LDH-3, j NiCo-LDH-2, k NiCo-LDH-1, l NiCo-LDH-0

Die XRD-Spektren von NiCo-LDHs sind in Abb. 2a dargestellt. Nach dem Vergleich mit der Standard-PDF-Karte können alle Materialien Ni_0,75 . zugeordnet werden Co_0,25 (CO₃ )_0,125 (OH)_{2 0,215} ·0.38H₂ O (PDF#40–0216). Die Beugungspeaks bei 2θ von 11,59°, 23,14°, 34,95°, 39,40°, 62,44° und 65,96° entsprechen den Nickel-Kobalt-Hydroxiden (003), (006), (012), (015), (113) und ( 116) Kristallebenen. Die detaillierte Mikromorphologie von NiCo-LDH-1 wird weiter durch TEM charakterisiert. Wie in Abb. 2b–d gezeigt, erscheint NiCo-LDH-1 als dünne poröse Schichten und es gibt sehr wenig Stapel zwischen den Schichten. Denn der reduzierte Harnstoffgehalt verbessert die Dispergierbarkeit des Materials und verringert die seitliche Stapelung zwischen den Schichten. Die dreidimensionale Wachstumsstruktur macht die Plattenstruktur des Materials dünner und weist deutliche Poren auf. Die Existenz der dünnschichtigen porösen Struktur kann das Eintauchen des Elektrolyten in das Elektrodenmaterial stark erhöhen, den Diffusionswiderstand und die Migrationsstrecke von Elektrolytionen verringern [33].

a Röntgenbeugungsmuster der Proben; b –d TEM-Bilder von NiCo-LDH-1

Abbildung 3 zeigt die XPS-Analyse des NiCo-LDH-1. Für das Ni 2p XPS-Spektrum in Abb. 3a werden zwei Hauptpeaks bei 873,1 und 855,5 eV beobachtet, die Ni 2p_1/2 . entsprechen und Ni 2p_3/2 , bzw. Die Peaks mit Bindungsenergien bei 874,4 und 856,5 eV werden Ni ³⁺ . zugeschrieben , während die passenden Peaks bei 873,1 und 855,3 eV Ni ²⁺ . entsprechen [34, 35]. Die Peaks bei 872,1 und 854,2 eV implizieren das Vorhandensein von Ni ⁰ . die NF zugeschrieben werden, und die anderen beiden Peaks bei 878,8 und 861,2 eV können Satellitenpeaks zugeordnet werden. In ähnlicher Weise zeigt Abb. 3b das angepasste XPS-Spektrum von Co 2p, und zwei Hauptpeaks bei 796,1 und 780,8 eV sind auf Co 2p_1/2 . indiziert und Co 2p_3/2 , bzw. Die Dubletts bei 796,9 und 781,5 eV stimmen mit Co ²⁺ . überein , während die anderen Dubletts bei 795,5 und 780.1 eV mit Co ³⁺ . übereinstimmen [35, 36]. Die entsprechenden Satellitenpeaks liegen bei 784,9 und 803,7 eV. Das O 1 s-Spektrum ist in Abb. 3c gezeigt, in dem die Peaks mit den Zentren bei 529,6, 531 und 532,5 eV dem an das Metall gebundenen Sauerstoff (O1), dem defekten Sauerstoff (O2) mit geringer Koordination und dem Sauerstoff in . zugeordnet werden sollten Wasser (O3), das auf bzw. in der Oberfläche physikalisch und chemisch gebunden ist [35]. Diese Ergebnisse zeigen, dass NiCo-LDH-1 eine reiche Verteilung der Valenzzustände aufweist, was für die Verbesserung der elektrochemischen Leistung von Vorteil ist.

Röntgenphotoelektronenspektren von a Ni 2p, b Co 2p und c O 1 s von NiCo-LDH-1

Die EDS-Mapping-Diagramme von NiCo-LDH-1 sind in Abb. 4a–d dargestellt. Aus den Abbildungen ist ersichtlich, dass die Ni-, Co- und O-Elemente gleichmäßig über das Material verteilt sind, was den Ergebnissen von XPS entspricht.

a SEM von NiCo-LDH-1; EDS-Element-Mapping-Diagramme von b Ni, c Co und d O in NiCo-LDH-1

Um die elektrochemischen Eigenschaften von NiCo-LDHs zu testen, werden CV-, GCD-EIS- und Zyklenstabilitätstests in einem typischen Drei-Elektroden-Testsystem durchgeführt. Abbildung 5a zeigt die zyklischen Voltammetriekurven von NiCo-LDH-1 bei verschiedenen Abtastraten. Es ist ersichtlich, dass bei allen Proben offensichtliche Oxidationspeaks und Reduktionspeaks beobachtet werden und die Flächen für anodische und kathodische Peaks bei einer festen Abtastrate grundsätzlich gleich sind, was darauf hindeutet, dass das Elektrodenmaterial eine ausgezeichnete Reversibilität aufweist. Die Redoxreaktionen können wie folgt ausgedrückt werden:

a CV-Kurven von NiCo-LDH-1 bei verschiedenen Scanraten; b CV-Kurven von Proben bei einer Abtastrate von 5 mV s ⁻¹ ; c GCD-Kurven von NiCo-LDH-1 bei verschiedenen Stromdichten; d GCD-Kurven von Proben bei 1 A g ⁻¹ ; e Zyklenstabilitätsdiagramm von NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 und NiCo-LDH-0 bei 10 A g ⁻¹ ; f Nyquist-Plots von NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 und NiCo-LDH-0

Abbildung 5b zeigt die zyklischen Voltammetriekurven von NiCo-LDHs bei einer Abtastrate von 5 mV s ⁻¹ . Es ist ersichtlich, dass die Oxidations- und Reduktionsspitzenströme des NiCo-LDH-1 deutlich höher sind als die des NiCo-LDH-2, des NiCo-LDH-3 und des NiCo-LDH-0, und die von eingeschlossene Fläche die Spitzenbreite und Spitzenstromintensitäten von NiCo-LDHs nehmen sequentiell zu. Nach der bisherigen Literatur [37] kann die von der Kurve eingeschlossene Fläche den Beitrag des Materials zur Kapazität widerspiegeln. Je größer die unter der gleichen Abtastrate und dem gleichen Spannungsfenster eingeschlossene integrale Fläche ist, desto besser ist die Kapazitätsleistung des Materials, so dass das regulierte NiCo-LDH-1 durch Verringerung des Harnstoffgehalts die Kapazitätsleistung verbessert. Darüber hinaus kann es aus den CV-Kurven von NF bei 5 mV s ⁻¹ . beobachtet werden dass die Fläche der CV-Kurven für NF im Vergleich zu anderen Proben vernachlässigbar ist, was darauf hindeutet, dass der Kapazitätsbeitrag von NF unbedeutend ist.

Die galvanostatischen Lade- und Entladekurven von NiCo-LDH-1 bei verschiedenen Stromdichten sind in Abb. 5c dargestellt. Offensichtlich hat NiCo-LDH-1 eine ultrahohe spezifische Kapazität von 4166 (1667 C g ⁻¹ ) und 3982,5 F g ⁻¹ (1593 °C g ⁻¹ ) bei einer Stromdichte von 0,5 und 1 A g ⁻¹ , bzw. Bei der starken Stromdichte von 10 A g ⁻¹ , die spezifische Kapazität von 2550 F g ⁻¹ (1020 °C g ⁻¹ ) kann noch beibehalten werden. Durch den Vergleich mit den Ergebnissen der Literatur, wie in Tabelle 1 gezeigt, ist unsere Arbeit vorteilhafter.

Abbildung 5d zeigt die galvanostatischen Lade- und Entladekurven von NiCo-LDHs unter demselben Stromdichte- und Spannungsfenster. Es ist zu beobachten, dass mit abnehmendem Harnstoffgehalt die Lade- und Entladezeiten von NiCo-LDHs wiederum länger werden. Die spezifische Kapazität ändert sich von 2405 F g ⁻¹ (962 C g ⁻¹ ) für das NiCo-LDH-3 auf 3052,5 F g ⁻¹ (1221 C g ⁻¹ ) für das NiCo-LDH-2 und steigt schließlich auf 3982,5 F g ⁻¹ (1593 °C g ⁻¹ ) für das NiCo-LDH-1. Es zeigt, dass die Änderung des Harnstoffgehalts einen wichtigen Einfluss auf die Redoxreaktion von Materialien hat. Der Grund ist, dass bei einem hohen Harnstoffgehalt die NiCo-LDHs hauptsächlich in Richtung parallel zur NF-Oberfläche seitlich wachsen und die Schichten aufeinander gestapelt werden, was die Gesamtdicke der Schichten erhöht, so dass der Elektrolyt nicht gut eindringen kann und Redox Reaktionen, die zur Pseudokapazität führen, können nur auf oder nahe der Oberfläche ablaufen. Die Verringerung des Harnstoffgehalts verbessert die Dispergierbarkeit des Materials. Die NiCo-LDHs lösen allmählich den gestapelten Zustand zwischen den Schichten. Die dreidimensionale Wachstumsstruktur macht die Schichtstrukturen des Materials dünner und die Poren sichtbar. Dies stellt mehr aktive Zentren für die Reaktion bereit und verringert den Diffusionswiderstand und die Migrationsstrecke von Elektrolytionen, was der Übertragung und Diffusion von Ionen förderlich ist, wodurch die Pseudokapazitätsleistung des Materials stark verbessert wird [36, 44]. Gemäß der GCD-Kurve von NiCo-LDH-0 beträgt die spezifische Kapazität der Probe 1232,5 F g ^–1 (493 C g ⁻¹ ) bei einer Stromdichte von 1 A g ⁻¹ die niedriger ist als die der mit Harnstoff erhaltenen Proben. Es bestätigt außerdem, dass die durch die Einführung von Harnstoff verursachte veränderte Struktur einschließlich Morphologie und Dicke einen positiven Einfluss auf die elektrochemischen Eigenschaften von NiCo-LDHs hat.

Abbildung 5e zeigt die Zyklenstabilität der NiCo-LDHs. Unter der Stromdichte von 10 A g ⁻¹ , liegt die Kapazitätserhaltungsrate von NiCo-LDH-1 nach 1000 Zyklen über 93,6 %, höher als 88,9 % bzw. 83 % für NiCo-LDH-2 und NiCo-LDH-3. Die Kapazitätserhaltungsrate des NiCo-LDH-0 beträgt jedoch nur 54,9%. Es weist darauf hin, dass der geeignete Harnstoffgehalt die Stabilität von Elektrodenmaterialien effektiv verbessern kann. Darüber hinaus beträgt die Kapazitätserhaltung des NiCo-LDH-1 während der 100 bis 500 Zyklen mehr als 100 %, was darauf hindeutet, dass die dünnere vertikale Schichtstruktur während dieses Zyklusprozesses den Elektrolyten ausreichend zur nahen Oberfläche des Wirkstoffs diffundieren kann um den Prozess der Redoxreaktion zu unterstützen. Abbildung 5f ist das Ergebnis des EIS-Tests für die NiCo-LDHs. Die Nyquist-Plots bestehen aus zwei Teilen:Hochfrequenz- und Niederfrequenzbereich, die einem Halbkreis bzw. einem Linienabschnitt entsprechen. Der Durchmesser des Halbkreises im Hochfrequenzbereich spiegelt den Elektronenübergangswiderstand wider. Je kleiner der Halbkreisdurchmesser ist, desto kleiner ist der Elektronenübergangswiderstand. Die Steigung der Linie repräsentiert die Diffusionsfähigkeit der Elektrolytionen auf der Materialoberfläche. Je höher die Steigung ist, desto stärker ist die Diffusionsfähigkeit [45]. Bei den Proben von NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 und NiCo-LDH-3 nehmen bei allmählicher Abnahme des Harnstoffgehalts der Übertragungswiderstand und die Wanderungsstrecke der Elektronen für die entsprechenden Elektroden ab, die Übertragungsrate der Ionen zum Die Elektrodenoberfläche nimmt zu und die Leitfähigkeit des Materials verbessert sich allmählich. Bei der Probe von NiCo-LDH-0 ist jedoch, obwohl der Elektronenübertragungswiderstand relativ klein ist, die Übertragungsrate der Ionen zu langsam, um der elektronischen Übertragungsfähigkeit zu entsprechen, was zu einer schlechten elektrochemischen Leistung führt.

Die ausgezeichnete elektrochemische Leistung von NiCo-LDH-1 als positive Elektrode wird weiter bestätigt durch die Herstellung eines asymmetrischen Superkondensators mit zwei Elektroden und Kohlenstoffkugeln als negative Elektrode. Abbildung 6a sind die CV-Kurven der Kohlenstoffkugel- und NiCo-LDH-1-Elektroden bei 10 mV s ⁻¹ . Die Kohlenstoffkugel- und NiCo-LDH-1-Elektroden mit dem Potenzialfenster von -1 ~ 0 und 0 ~ 0,5 V können mit der erweiterten Spannung von 1,5 V effektiv zu einer Stabilisierungsvorrichtung zusammengebaut werden, wie die CV-Kurven bei 10 mV s . zeigen ⁻¹ des Geräts in Abb. 6b.

Elektrochemische Leistung des asymmetrischen Superkondensators mit NiCo-LDH-1/Kohlenstoffkugel:a CV-Kurven bei einer Abtastrate von 10 mV s ⁻¹ ; b CV-Kurven unter verschiedenen Abtastraten; c GCD-Kurven bei unterschiedlichen Stromdichten; und d Zyklenfestigkeit unter der Stromdichte von 10 A g ⁻¹

Nach dem Vergleich von Fig. 6a, b sind zwei Hauptunterschiede deutlich zwischen ihnen im Potenzialfenster und der CV-Kurvenform zu beobachten. Die Ursachen für diese Unterschiede liegen in den folgenden Aspekten:1) Bezogen auf die gesättigte Kalomel-Referenzelektrode beträgt das Spannungsfenster der einzelnen NiCo-LDH-1- und Kohlenstoffkugelelektroden 0 ~ 0,4 und -1 ~ 0 V in einem Drei- Elektrodensystem bzw. Nachdem wir jedoch NiCo-LDH-1 als positive Elektrode verwendet haben, um asymmetrische Superkondensatoren mit zwei Elektroden und Kohlenstoffkugeln als negative Elektrode herzustellen, ist das Spannungsfenster des Geräts relativ zur negativen Elektrode (nämlich Kohlenstoffkugeln mit dem Potenzialbereich von -1 ~ 0 V). Daher könnte das aus zwei Elektroden mit entgegengesetzten Prozessen zusammengesetzte Gerät nach dem Ausgleichen der Ladungen unter dem Potenzialfenster von 0 ~ 1.4 V arbeiten [46]. 2) Wie in Abb. 6b gezeigt, zeigen die CV-Kurven eines asymmetrischen Superkondensators ein Paar deutlicher Peaks unter den unterschiedlichen Abtastraten, was die typischen Faradayschen Pseudokapazitätseigenschaften bestätigt, die von NiCo-LDH-1 beigesteuert werden [47]. Darüber hinaus bestätigt eine deutlichere quasi-rechteckige CV-Kurve sowie ein annähernd linearer Lade- und Entladevorgang in Abb. 6b, c für den asymmetrischen Superkondensator im Vergleich zu NiCo-LDH-1 das verbesserte Kapazitäts-Ansprechverhalten aufgrund der elektrischen durch die Kohlenstoffkugeln erzeugter Doppelschicht-Kapazitätseffekt. Somit zeigt der hergestellte asymmetrische Superkondensator eine Variation des Aussehens der CV-Kurve relativ zu der einzelnen Elektrode aus NiCo-LDH-1 und Kohlenstoffkugeln. Dies resultiert aus der Vereinheitlichung der Überlegenheit zweier Elektrodenmaterialien mit unterschiedlichen Mechanismen der Ladungsspeicherung. Mit diesem Vorteil kann die Spannung des Geräts verbessert werden, was zur Steigerung der Leistungs- und Energiedichte beiträgt [48].

Die GCD-Kurven bei unterschiedlichen Stromdichten sind in Abb. 6c mit dem Spannungsbereich von 0 ~ 1.4 V dargestellt. Den Berechnungen zufolge betragen die spezifischen Kapazitäten des asymmetrischen Superkondensators 95 (132.9) und 57 F g ⁻¹ (79,75 °C g ⁻¹ ) unter den Stromdichten von 1 und 5 A g ⁻¹ , bzw. Die maximale Energiedichte beträgt 25,9 W h kg ⁻¹ bei einer Leistungsdichte von 701,6 W kg ⁻¹ . Unterdessen ist die im Einschub von Fig. 6d gezeigte Niederfrequenzkurve des EIS nahezu vertikal, was darauf hinweist, dass die Elektrolytionen eine ausgezeichnete Pendelfähigkeit zwischen positiven und negativen Elektroden aufweisen [49]. Die Zyklenfestigkeit des Geräts wird auch durch wiederholte Lade- und Entladetests bei 10 A g ⁻¹ . bewertet . Wie in Abb. 6d gezeigt, liegt die Kapazitätserhaltung nach 1000 Zyklen über 78 %.

Schlussfolgerungen

Eine einfache und effektive einstufige hydrothermale Methode wird verwendet, um verschiedene NiCo-LDHs zu synthetisieren. Die Nanostrukturen der NiCo-LDHs können durch Optimierung des Harnstoffgehalts angepasst werden, wodurch die elektrochemische Leistung als Elektrodenmaterial verbessert wird. Die Konsequenzen der strukturellen Eigenschaften zeigen, dass die NiCo-LDH-1-Nanoblätter mit abnehmendem Harnstoffgehalt eine gut verbesserte Dispersität aufweisen und eine dünne poröse Struktur mit einer Dicke von nur 1,62 nm bilden, die mehr aktive Zentren für die Redoxreaktion schafft, die Affinität zwischen Elektrolyt und Elektrodenmaterial, verkürzt den Ionendiffusionsweg und verbessert die Elektronenübertragungsfähigkeit. Das NiCo-LDH-1 weist eine hervorragende spezifische Kapazität von 3982,5 F g ⁻¹ . auf bei Stromdichte von 1 A g ⁻¹ und über 93,6% Kapazitätserhaltungsrate über 1000 Zyklen unter der hohen Stromdichte von 10 A g ⁻¹ . Die hervorragende elektrochemische Leistung von NiCo-LDH-1 wird außerdem durch die Herstellung von asymmetrischen Superkondensatoren mit zwei Elektroden und Kohlenstoffkugeln belegt. Die spezifische Kapazität beträgt 95 F g ⁻¹ bei 1 A g ⁻¹ , und die Kapazitätserhaltung liegt über 78% über 1000 Zyklen. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die NiCo-LDHs das Energiespeichermaterial der nächsten Generation mit großen Anwendungsaussichten sind und die große Chance für die Entwicklung von Hochenergie-Superkondensatoren bieten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

NiCo-LDHs:

Nickel–cobalt layered double hydroxides

TMHs:

Transition metal hydroxides

Ni:

Nickel

Ko:

Kobalt

NF:

Nickel foam

XRD:

X-ray automatic diffractometer

XPS:

X-ray photoelectron spectrometer

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

AFM:

Rasterkraftmikroskop

EDS mapping:

Energy-dispersive X-ray spectroscopy element mapping

Lebenslauf:

Zyklische Voltammogramme

GCD:

Galvanostatic charge–discharge curves;

EIS:

Electrochemical impedance

ASC:

Asymmetric supercapacitor