Síntesis en un solo paso de nanocables de hidróxido de cobalto carbonatado dopado con cloro mesoporoso para supercondensadores de alto rendimiento Electrodo

Resumen

Se han obtenido nanocables de hidróxido de cobalto carbonatado dopado con cloro autoestabilizados y bien definidos como un electrodo libre de aglutinantes mediante un método sencillo. El material de Co tiene una estructura única en forma de aguja bien definida, compuesta de monómero altamente alineado con un diámetro de aproximadamente 3 a 10 nm y numerosos poros superficiales, lo que lo hace tener potencial para capacitores electroquímicos de alto rendimiento. Los resultados de la prueba muestran que el electrodo de Co-ClNWs (NiE) adquirido directamente en un sistema de tres electrodos puede alcanzar la capacidad específica de más de 2150 F / g bajo la densidad de corriente de 1 A / g, acompañada de una buena estabilidad cíclica del 94,3%. retención de capacitancia después de 500 ciclos, y exhibe una alta densidad de energía de 41,8 W h / kg a la densidad de potencia de 1280,7 W / kg cuando se utiliza como electrodo positivo de un supercondensador asimétrico. Después de hacer una comparación del material actual con los electrodos convencionales, podemos encontrar que se puede lograr un mejor rendimiento electroquímico con un método de un solo paso más conveniente. Por lo tanto, en este trabajo, podemos proporcionar un nuevo tipo de concepto de fabricación para el futuro tratamiento de electrodos.

Introducción

Como una especie de dispositivo de almacenamiento y conversión de energía, el supercondensador ha atraído una gran atención debido a su velocidad de carga y descarga rápida, alta densidad de potencia, ciclo de vida prolongado y ventajas de alta confiabilidad [1, 2]. En los últimos años, ha complementado la deficiencia de los equipos tradicionales de almacenamiento y conversión de energía en muchas aplicaciones importantes y campos prospectivos como equipos electrónicos militares, vehículos eléctricos, computadoras portátiles, etc. [3, 4, 5, 6, 7]. En general, los supercondensadores se pueden dividir en dos tipos según sus diferentes mecanismos de almacenamiento de electrones:condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) tradicionales que almacenan energía mediante la acumulación de cargas en la doble capa eléctrica a través de interacciones electrostáticas, y pseudocondensadores que almacenan energía a través de redox de Faradaica. reacción en la superficie del electrodo [8,9,10,11]. Entre los diversos materiales de pseudocapacidad, el óxido de rutenio exhibe un excelente rendimiento electroquímico, pero su alto costo, baja porosidad y naturaleza tóxica limitan severamente su aplicación comercial [12]. Por lo tanto, algunos óxidos / hidróxidos metálicos más económicos y ecológicos pero altamente capacitivos como NiO, Co ₃ O ₄ , Fe ₃ O ₄ , Fe ₂ O ₃ , V ₂ O ₅ , Co (OH) ₂ y Ni (OH) ₂ se han convertido en los candidatos más prometedores [13]. Co (OH) ₂ , que muestra las ventajas obvias de las reacciones redox reversibles bien definidas con alta capacidad específica teórica, ha sido considerado como un material potencial particularmente atractivo [14]. El estudio encuentra que el rendimiento de alta capacitancia se refleja en una estructura morfológica especial con un área de superficie específica alta [6, 15, 16, 17, 18]. A partir de informes anteriores, Mahmood y sus colaboradores sintetizaron hidróxido de cobalto carbonatado dopado con cloro (Co (CO ₃ ) _0.35 Cl _0,20 (OH) _1.10 1,74H ₂ O) nanocables con capacitancia extraordinaria y excelente densidad de energía junto con capacidad y estabilidad de alta velocidad. Se cree que tan alta capacitancia y densidades de energía se atribuyen a la estructura única del Co (CO ₃ ) _0.35 Cl _0,20 (OH) _1.10 nanocables, en los que la naturaleza hidrófila puede mejorar significativamente la humectabilidad de la superficie del electrodo, y la existencia de aniones estabilizadores de la contraestructura (Cl ^- o / y CO3 ²⁻ ) controla eficazmente la polarización del electrodo [19]. Inspirándose en las superioridades de dicho trabajo, la perspectiva en cuanto a optimizar las propiedades estructurales y electroquímicas mediante el dopado de algunos elementos en Co (OH) ₂ está previsto.

Al mismo tiempo, con el fin de obtener una alta superficie específica y otra morfología especial, los investigadores comienzan a innovar en la estructura [17, 20,21,22,23]. Cuando el material activo se unía a la superficie del otro material del electrodo, podría formar una estructura de núcleo-carcasa de paquete o una estructura tridimensional en capas, lo que podría garantizar el efecto del contacto del material activo y el ion electrolito para mejorar la eficiencia de la reacción. Por ejemplo, Shude Liu y sus compañeros de trabajo propusieron un electrodo de supercondensador que comprende un hidróxidos dobles tridimensionales, jerárquicos y tridimensionales de MnCo en capas @ Ni (OH) ₂ [MnCo-LDH @ Ni (OH) ₂ ] heteroestructura núcleo-carcasa sobre espuma conductora de níquel [24]. El MnCo-LDH @ Ni (OH) ₂ resultante La estructura exhibió una alta capacitancia específica de 2320 F / g con una densidad de corriente de 3 A / gy una capacitancia de 1308 F / g se mantuvo a una alta densidad de corriente de 30 A / g con una vida útil superior de ciclo largo. Sin embargo, debido a las diferentes características de los materiales, el método de preparación se ha enfrentado a problemas de operación complicada, duras condiciones de reacción y baja tasa de éxito. Por lo tanto, es muy deseable una medida de preparación más práctica para obtener materiales de electrodos uniformes y ordenados con altos rendimientos electroquímicos [25].

En este artículo, los nanocables mesoporosos de hidróxido de cobalto carbonatado dopado con cloro (Co-ClNWs) se cultivan directamente sobre la espuma de níquel para preparar el electrodo de espuma de níquel (Co-ClNWs (NiE)) mediante un método hidrotermal de un solo paso basado en el ventajas de rendimiento de Co (OH) ₂ . La prueba de rendimiento electroquímico se realiza con Co-ClNW (NiE) directamente como electrodo de trabajo, lo que proporciona una medida clave para mejorar tanto la capacitancia específica como la densidad de energía para su realización razonable de los sitios activos internos de los materiales a granel para el almacenamiento de energía. Mientras tanto, la comparación de rendimiento se realiza con el electrodo convencional. Proporciona un método de referencia factible para el aumento de la capacitancia y el desarrollo de aplicaciones de materiales de Co, y también ofrece nuevas ideas para la estructura y producción de la industrialización de capacitores en el futuro.

Métodos

Síntesis de Co-ClNW en espuma de Ni

La espuma de Ni se obtuvo de Canrd Co., Ltd., China. Antes de su uso, se trató con HCl 0,5 M bajo ultrasonidos durante 0,5 h, y luego se secó a 80 ° C durante 12 h después de lavarlo con grandes cantidades de agua desionizada y etanol para eliminar los iones de la superficie. Todos los demás productos químicos eran de grado analítico y se compraron a Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. en China sin tratamiento adicional antes de su uso.

En primer lugar, 3,5 g de CoCl ₂ · 6H ₂ O y 0,9 g CO (NH ₂ ) ₂ se disolvieron en 100 mL de agua desionizada bajo agitación magnética, con una duración de 30 min hasta que el sólido se dispersó y disolvió por completo. La solución homogénea obtenida se transfirió luego a un autoclave de acero inoxidable con varias espumas de níquel limpias fijadas con clips de acero inoxidable (se midió previamente la calidad de la espuma de níquel), asegurándose que las espumas de níquel queden completamente sumergidas y colocando a 120 ° C con una reacción térmica de 20 h. Después de enfriar a temperatura ambiente, se sacaron las espumas de níquel y se lavaron con agua desionizada para eliminar las impurezas adheridas a la superficie. Finalmente, las muestras se seleccionaron al vacío, secando en un horno durante 10 h para su uso.

Caracterizaciones de materiales

Las estructuras y morfologías de los productos se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (SEM MIRA3 TESCA) y microscopio electrónico de transmisión (TEM FEI Tecnai). Los patrones de difracción de rayos X (XRD) se recogieron con un difractómetro SIEMENSD500 con radiación Cu Kα (λ =0,15056 nm). La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) se llevó a cabo en ESCALAB 250 con radiación Al Kα para examinar las composiciones químicas y los estados de valencia química de las muestras. N ₂ Las isotermas de adsorción-desorción se obtuvieron mediante un instrumento ASAP 2020 a 77 K. Los métodos BET y QSDFT se utilizaron respectivamente para determinar las áreas de superficie específicas y las distribuciones del tamaño de los poros de los materiales.

Mediciones electroquímicas

El electrodo de Co-ClNWs (NiE) se trató a una presión de 8 MPa, con un área geométrica, carga de masa y espesor de 1 cm ⁻² , 3 mg y 0,25 mm. respectivamente. Para caracterizar los comportamientos electroquímicos de (Co-ClNWs (NiE)), se utilizó la estación de trabajo electroquímica CHI660E (Chenhua, Shanghai) en una celda electroquímica de tres electrodos con un contraelectrodo de Pt y un electrodo de referencia de Hg / HgO en solución de KOH 6 M . Se observaron mediciones de voltamperometría cíclica (CV), carga y descarga galvanostática (GCD) en el proceso de prueba. La espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) se probó aplicando un voltaje de CA con una amplitud de 5 mV en un rango de frecuencia de 0.01 Hz a 100 kHz a potencial de circuito abierto. Los productos obtenidos en el mismo experimento pero sin crecer sobre espuma de níquel también se recolectaron para obtener las placas de electrodo de trabajo (Co-ClNWs (E)) fabricadas por el método de pegado de politetrafluoroetileno (PTFE). La capacitancia específica de las muestras se calculó de acuerdo con la ecuación (1):

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

donde C es la capacitancia específica (F / g), I es la corriente (A), Δ t es el tiempo de descarga, Δ V es la ventana potencial (V), y m es la masa del electrodo electroactivo (g).

Además, se probó un supercondensador asimétrico con el electrodo Co-ClNWs (NiE) (electrodo positivo) y carbón activado (CA, electrodo negativo) en una configuración de dos electrodos. La relación de masa óptima para el electrodo positivo y el electrodo negativo se calculó mediante la siguiente ecuación:

$$ {\ mathrm {m}} _ {+} / {\ mathrm {m}} _ {-} ={\ mathrm {C}} _ {-} {\ mathrm {V}} _ {-} / { \ mathrm {C}} _ {+} {\ mathrm {V}} _ {+} $$ (2)

donde m significa la masa de materiales activos, C representa la capacitancia específica gravimétrica y V es la ventana de potencial (en la configuración de tres electrodos). Para obtener los rendimientos electroquímicos, la capacitancia específica, la densidad de energía específica y la densidad de potencia específica de la celda se calcularon respectivamente de acuerdo con:

$$ {C} _c =\ frac {I \ varDelta t} {m \ varDelta U} $$ (3) $$ {E} _c =\ frac {C_c \ varDelta {U} ^ 2} {2 \ times 3.6 } $$ (4) $$ {P} _c =\ frac {E_c \ times 3600} {\ varDelta t} $$ (5)

donde yo (A) muestra la corriente de carga / descarga, m (g) representa la masa activa total de los dos electrodos, Δt (s) significa el tiempo de descarga, ΔU (V) es la ventana potencial y C _c (F g ⁻¹ ), E _c (W h kg ⁻¹ ) y P _c (W kg ⁻¹ ) son la capacitancia específica, la densidad de energía y la densidad de potencia de la celda, respectivamente.

Resultados y discusión

Caracterización de los Co-ClNWs (NiE)

Las imágenes SEM de la Fig. 1 muestran la morfología de los Co-ClNW preparados en la espuma de níquel. En la Fig. 1a, podemos saber claramente que la propia red de espuma de níquel tiene una estructura de múltiples capas. El ligamento del electrodo formado por la estructura tridimensional de la espuma de níquel es muy similar al de la esponja, proporcionando un marco natural para el crecimiento de los materiales [26]. La ilustración muestra que el material está bien cubierto sobre la espuma de níquel. La ampliación de la imagen se presenta en la Fig. 1b, a partir de la cual encontramos que los materiales en forma de aguja están escalonados, lo que demuestra que la estructura de crecimiento no causa compresión de la estructura espacial, sino que forma un espacio espacial tridimensional natural. Esta estructura distintiva puede proporcionar más vías para el flujo de entrada y la reacción del electrolito, lo que es beneficioso para el material del electrodo en buen contacto con el electrolito [27]. En la figura 1c, al observar el material que crece en la superficie de la espuma de níquel, encontramos que los materiales como las flores florecientes están interconectados entre sí, lo que conduce al transporte rápido de electrones, mejorando así el rendimiento de la velocidad y reduciendo la pérdida de energía. El aumento de la Fig. 1d muestra la superficie de la espuma de níquel con el esqueleto del material por formación hidrotermal, y exhiben una estructura entrelazada de conexión ordenada, que constituye una red conductora muy unida. Como sabemos, el electrodo obtenido por los métodos de pegado de PTFE tiende a causar problemas tales como recubrimiento desigual y no tiene la estructura espacial natural, lo cual resulta fácil en una reducción drástica del espacio disponible y área de superficie específica, reduce la utilización de materiales experimentales, y conduce a diferencias de rendimiento significativas en última instancia [28]. En relación a ese electrodo, por lo tanto, no hay duda de que la estructura de Co-ClNWs (NiE) tiene la ventaja de acortar la distancia de transmisión de electrones e iones, por lo que la conductividad del material se mejora mucho, proporcionando un buen lecho para prueba electroquímica [29].

un Estructura en capas de espuma de níquel (la ilustración muestra el material adherido a la espuma de níquel). b El aspecto del material observado con gran aumento. c La morfología de la flor monomérica. d Esqueleto de material formado en la superficie de níquel espumado

Para explorar más a fondo la superioridad del electrodo Co-ClNWs (NiE), se realiza una prueba SEM después de que se completa la prueba electroquímica. Como se ve en la figura 2a, la espuma de níquel después del tratamiento de extrusión sigue siendo jerárquica y la superficie de la espuma de níquel está cubierta de cerca por el material. Como sabemos, las protuberancias a escala micro / nanométrica se fabrican en espuma de níquel comercial (colector de corriente), que puede mejorar sus sitios activos [30]. Un área de superficie más alta del colector de corriente significa más área de contacto entre el colector de corriente y el material activo, lo que puede impulsar el transporte de electrones e iones durante las reacciones electroquímicas. Una buena conductividad puede garantizar una excelente capacidad de velocidad para la capacitancia en altas densidades de corriente, de modo que la mala conductividad del material compuesto a base de Co se mejora en gran medida, lo que se confirma por el hecho de que muchos más nanocables en forma de aguja están incrustados en los intersticios de la espuma de níquel a altas temperaturas. aumento [31]. En la Fig. 2c, d, la imagen ampliada muestra que los nanocables están dispuestos de cerca en la estructura formada sobre la espuma de níquel de modo que el espacio del sustrato se utiliza completamente para aprovechar los materiales activos para el almacenamiento de energía. Ésta es una ventaja estructural que no poseen los Co-ClNW (E) preparados mediante el método de adherencia de PTFE. El método de preparación de electrodos de Co-ClNWs (NiE) ofrece un enfoque útil y viable que puede estimular por completo el rendimiento del material.

un Imagen SEM del electrodo de Co-ClNWs (NiE) probado. b Imagen SEM del material incrustado en las capas intermedias de espuma de níquel. c , d Imágenes SEM de un crecimiento estrechamente alineado en el esqueleto de espuma de níquel con gran aumento

Las imágenes TEM de nanocables Co-ClNWs (raspados de productos de espuma de níquel) se muestran en la Fig. 3. La imagen en la Fig. 3a muestra que el material extraído permanece bien acicular, que pertenece a una estructura monocristalina como lo revela la difracción de electrones (SAED) de los nanocables seleccionados en la Fig. 3b. Los nanocables aciculares que se muestran en la Fig. 3c crecen unas pocas micras de longitud con un diámetro de unas decenas de nanómetros, lo que indica una gran relación de aspecto. A partir de la apariencia de gran aumento de los Co-ClNW en la Fig. 3d y la Fig. 3e , se encuentra que la superficie del material está estrechamente alineada con el monómero cuyo diámetro es de aproximadamente 3 a 10 nm. La difusión profunda de iones en los materiales cristalinos siempre se ha considerado un tema complejo, ya que los iones de electrolito no pueden difundirse por todo el material si el espesor del material cristalino es superior a 30 nm. En nuestro caso, por lo tanto, la estructura de Co-ClNW es propicia para la difusión del electrolito porque el tamaño del monómero material es de aproximadamente 3 a 10 nm, lo que acorta la distancia de difusión del electrolito y reduce la longitud y la resistencia de la ruta de reacción [ 32]. Este factor permite predominantemente la utilización efectiva de todo el material en la reacción redox de Faradaica. Además, estas disposiciones hacen que el material muestre una apariencia mesoporosa notable, lo que puede aumentar en gran medida la congraciación de electrolito en los materiales, ya que los iones de electrolito no pueden entrar en los poros ultrafinos con diámetros de poros inferiores a 2 nm, aunque estos poros pueden corresponder a una mayor especificidad. área de superficie. Visto claramente en la Fig. 3d, el tamaño de poro del material es superior a 2 nm, que pertenece a la categoría de mesoporos y, por tanto, es conductor para el transporte de electrolitos [7]. Como se puede observar en la Fig. 3f, el espaciado de las franjas de la celosía se calcula en aproximadamente 0.508 nm, lo que corresponde a 17.4 ° indexado al pico XRD debajo de acuerdo con la tarjeta estándar de Co (CO ₃ ) _0.35 Cl _0,20 (OH) _1.10 1,74H ₂ O (JDPS38-0547).

un Imágenes TEM de Co-ClNW. b Patrón SEAD de Co-ClNWs. c - e Imágenes TEM de Co-ClNW a gran aumento (que muestran la estructura mesoporosa de la superficie en ( d ), las partículas están dispuestas de forma compacta para formar Co-ClNW en ( e )). f Imágenes HRTEM de los Co-ClNW

La Figura 4a muestra el patrón XRD del material donde todos los picos coinciden bien con la tarjeta estándar (JCPDS 38-0547), lo que confirma que la composición estequiométrica del nanoalambre es Co (CO ₃ ) _0.35 Cl _0,20 (OH) _1.10 . A partir de los espectros de exploración XPS de la Fig. 4b, encontramos que los contenidos de Co, O, Cl y C representan casi todos los elementos del material, lo que demuestra la alta pureza. El espectro de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) del núcleo de Co2p (Fig. 4c) de los Co-ClNW presenta dos picos principales en energías de enlace de 780,84 y 797,04 eV con una separación de energía de espín de aprox. 16 eV. Estos dos picos corresponden a Co2p _3/2 y Co2p _1/2 respectivamente y van acompañadas de dos picos de satélite obvios. El estado iónico del cloro también se puede inferir por la presencia de dobletes en órbita de giro a 199,60 y 198,10 eV que pueden identificarse como Cl2p _1/2 y Cl2p _3/2 señales, respectivamente (Fig. 4d).

un Patrón XRD, b Espectro de levantamiento XPS, c alta resolución del espectro de Co 2p, d espectro de Cl 2p de alta resolución, e Espectro Raman y f Distribución del tamaño de poro QSDFT (recuadro:isotermas de absorción / desorción de N2) de Co-ClNWs

Para obtener aún más la constitución de los Co-ClNW (NiE) sintetizados, el espectro Raman se ilustra en el rango de número de onda de 0 a 2000 cm ⁻¹ y se muestra en la Fig. 4e. Cuatro bandas Raman para Co-ClNW (NiE) observadas a aproximadamente 95, 813, 1045 y 1554 cm ⁻¹ se puede asignar al modo de flexión para Cl-Co-Cl, modo de deformación Co-O-H, modo de deformación -OH y ν ₃ (CO ₃ ) ²⁻ modo de estiramiento antisimétrico, respectivamente, lo que sugiere que los componentes principales están de acuerdo con las pruebas anteriores [33,34,35]. La figura insertada en la Fig. 4f muestra el N ₂ isoterma de adsorción / desorción de Co-ClNWs (NiE), en la que se puede observar una isoterma de tipo IV acoplada con un bucle de histéresis de carácter H3 obvio, que muestra la existencia de abundante distribución de mesoporos y macroporos en los Co-ClNWs (NiE), en consistencia con el resultado por TEM y la distribución del tamaño de poro en la Fig. 4f. Esta estructura porosa en términos de mesoporos y macroporos interconectados es conductora para proporcionar canales continuos para una difusión de iones rápida y sin obstáculos y, por lo tanto, garantiza una buena accesibilidad de iones en los sitios activos. Además, casi no hay existencia de microporos en Co-ClNWs (NiE) debido a que casi no hay absorción de volumen de N2 bajo los tamaños de poro entre 0 y 2 nm, que es responsable de la baja área de superficie específica (aproximadamente 5 m ² / g) pero para alta cristalinidad con sitios activos ricos confirmados por XRD arriba.

Desempeño electroquímico del electrodo Co-ClNWs (E)

Los comportamientos electroquímicos de los Co-ClNW (E) se investigan mediante CV y GCD en una celda de tres electrodos con un electrodo de referencia Hg / HgO utilizando KOH 6 M como electrolito acuoso. La Figura 5a corresponde a la curva CV obtenida para Co-ClNWs (E) a velocidades de barrido de 2, 5, 10 y 20 mv / s, en la que todas las curvas CV son completas y presentan un pico redox simétrico. Con el aumento de la velocidad de exploración, la posición máxima de la curva cambia, lo que indica que el rendimiento de la capacitancia proviene de las reacciones del material de actividad, y la red de espuma de níquel no está involucrada en las reacciones químicas relevantes. Las curvas de carga y descarga de Co-ClNWs (E) a diferentes densidades de corriente se muestran en la Fig. 5b, con las características típicas que concuerdan bien con las curvas CV. La capacitancia específica del material del electrodo alcanza 975, 950, 900, 825 y 640 F / g bajo la densidad de corriente de 1, 2, 3, 5 y 8 A / g, respectivamente. A pesar de las mejores propiedades capacitivas, existe una clara diferencia significativa en comparación con los Co-ClNW (NiE), que es evidente en la Fig. 5c. La Figura 5d muestra el espectro EIS del electrodo Co-ClNWs (E), y se puede obtener que la resistencia faradaica reflejada por el diámetro del semicírculo es de aproximadamente 2 Ω. Una resistencia tan grande conducirá inevitablemente a un gran impedimento de electrones durante el proceso de almacenamiento de carga. En la Fig. 5e, realizamos una prueba de ciclo de CV en Co-ClNW (E) y encontramos que el material aún puede exhibir una curva redox buena y completa, lo que demuestra la capacidad del material para retener sus propiedades después de 500 ciclos de prueba. Por lo tanto, después de investigar el comportamiento electroquímico de los Co-ClNW (E), encontramos que los Co-ClNW tienen el potencial de convertirse en un excelente material capacitivo, y se mostrará un mejor rendimiento al promover la tasa de aplicación de los sitios activos si se busca un material fácil y eficaz. forma eficaz de mejorar la conductividad del mismo.

un Curvas CV de Co-ClNW (E) a varias velocidades de exploración. b Curvas de carga y descarga galvanostáticas de Co-ClNWs (NiE) a diversas densidades de corriente. c Comparación de curvas de descarga de dos electrodos. d Los espectros de impedancia electroquímica de Co-ClNWs (E). e Comparación de curvas CV después de 500 ciclos de Co-ClNWs (E)

Rendimiento electroquímico del electrodo Co-ClNWs (NiE)

Para examinar la optimización del electrodo Co-ClNWs (E), se prueban las curvas CV de Co-ClNWs (NiE) con la misma configuración de tres electrodos y se muestran en la Fig. 6a . Se puede observar que se presenta una curva completa y ordenada sin importar qué tipo de tasas de barrido de 2, 5, 10 y 20 mV / s. Además, cada curva implica una buena simetría redox, lo que demuestra plenamente que el material tiene excelentes características de pseudocapacidad [36]. A medida que aumenta la velocidad de exploración, hay un área de utilización efectiva reducida del material con un ligero cambio en el pico, lo que resulta en una disminución del rendimiento electroquímico debido a la resistencia y polarización del material del electrodo [37, 38]. A velocidades de exploración más altas, podemos concluir que los Co-ClNW (NiE) tienen una capacidad de velocidad alta porque los picos redox de las especies del material aún son obvios. Además, la corriente aumenta a medida que aumentan las velocidades de exploración, lo que confirma la capacidad de la misma para conducir iones y electrones de manera más eficiente. La razón principal de los picos redox se atribuye principalmente a la transferencia de carga entre Co ^{2 +} / Co ^{3 +} iones y OH ^- iones en el electrolito implicados en la reacción [39]. Después de revisar la literatura [40], los picos redox corresponden a las siguientes reacciones:

$$ {\ Displaystyle \ begin {array} {l} \ mathrm {Co} {\ left (\ mathrm {OH} \ right)} _ 2 \ kern0.5em + {\ mathrm {OH}} ^ {-} \ leftrightarrow \ mathrm {CoOOH} \ kern0.5em + \ kern0.5em {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} + {e} ^ {-} \\ {} \ mathrm {Co} \ mathrm {OOH} \ kern0.5em + \ kern0.5em {\ mathrm {OH}} ^ {-} \ leftrightarrow {\ mathrm {CoO}} _ 2 \ kern0.5em + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ kern0. 5em + \ kern0.5em {e} ^ {-} \ end {array}} $$

un Curvas CV de Co-Cl (NiE) a varias velocidades de exploración. b Curva de carga y descarga galvanostática de Co-ClNW (NiE) a 1 A / g (recuadro:curva GCD de espuma de níquel con la misma corriente de Co-ClNW (NiE) a 1 A / g). c Curvas GCD de Co-ClNWs (NiE) a varias densidades de corriente. d Rendimiento cíclico prolongado y retención de capacitancia de Co-ClNWs (NiE) a densidades de corriente de 8 A / g. e Capacitancia específica promedio a varias densidades de corriente de descarga. f Espectros EIS de Co-ClNW (NiE) antes y después de la prueba electroquímica en el rango de frecuencia de 100 kHz a 10 mHz. g Curvas CV de Co-ClNWs (NiE) y AC a una velocidad de barrido de 20 mV / s. h Curvas CV de los dispositivos Co-ClNW (NiE) // AC ASC fabricados a varias velocidades de escaneo y las curvas GCD correspondientes ( i ) Con diferentes densidades de corriente

La Figura 6b muestra la curva GCD del material a una densidad de corriente de 1 A / g. Se encuentra que la forma de la curva GCD tiene una meseta obvia, lo que prueba que el material sufre una reacción redox correspondiente a las curvas CV. Se puede observar que la tensión cae repentinamente debido a la resistencia interna del material en la parte de la curva de descarga [41]. Además, también podemos inferir de la Fig. 6b y la Fig. 5c que las capacitancias exhibidas por la muestra óptima de Co-ClNWs (NiE) son más altas que las de la adición de un solo Co-ClNWs (E) y espuma de níquel, lo que demuestra que La combinación de Co-ClNW y espuma de níquel por crecimiento directo tiene las contribuciones de promoción para mejorar la capacidad de almacenamiento de carga del electrodo, lo que significa que la espuma de níquel no solo puede proporcionar capacitancia por sí misma, sino que también puede actuar como columna vertebral para garantizar un buen contacto eléctrico y mecánico. adherencia y, por lo tanto, aumentar la tasa de utilización de Co-ClNW, como obviamente se ve en las figuras SEM en la Fig. 1. La Figura 6c muestra las curvas GCD a diferentes densidades de corriente, con una capacitancia específica de 2150 F / ga una densidad de corriente de 1 A / g (más alto que el de muchos trabajos publicados recientemente en la Tabla 1), correspondiente a una capacitancia específica de iones de 4996 F / g de Co, que muestra una excelente capacidad de almacenamiento de carga para Co-ClNWs (NiE) [42]. Además, el rendimiento de velocidad y la estabilidad a largo plazo del electrodo se obtienen además de acuerdo con las capacitancias específicas del electrodo de Co-ClNWs (NiE) a diferentes densidades de corriente y que se muestran en la Fig. 6e. Aunque el rendimiento del condensador disminuye, todavía se exhibe la característica de alta potencia. Las capacidades específicas de los condensadores se mantienen en 1985, 1872, 1599 y 944 F / g con densidades de corriente de 2, 3, 5 y 8 A / g, respectivamente. La capacitancia de descarga se prueba en la Fig. 6d para múltiples ciclos para probar la estabilidad de Co-ClNWs (NiE), 94.3% de la capacitancia específica en el ciclo inicial de la cual se puede mantener después de 500 ciclos. Sin embargo, en nuestra prueba posterior, la separación del material activo del electrodo se observa más allá de 500 ciclos, lo que puede derivarse del cambio de estructura de los materiales a granel que participan en la reacción redox de Faradaica, lo que provoca el cálculo inexacto de la capacitancia específica basada en la masa de Co-ClNW bajo una densidad de corriente dada. Por lo tanto, para descubrir una cuestión tan confusa, nuestro trabajo en curso implicará el seguimiento de la reversibilidad de las tensiones electroquímicas que se producen durante el ciclismo. Como se muestra en la Fig. 6f, los espectros de impedancia electroquímica del material antes (MBT) y después (MAT) de la prueba consisten en un semicírculo en la primera mitad y una barra en la segunda mitad. En general, se acepta que la intersección del eje real a alta frecuencia representa la resistencia del electrolito y la resistencia de contacto entre el material activo y el colector de corriente [43]. La línea recta en el área de baja frecuencia se atribuye a la resistencia a la difusión de iones [30]. Se puede ver que MBT tiene un valor de intercepción del eje real más pequeño a una frecuencia alta que MAT, lo que significa que MBT tiene una resistencia en serie equivalente relativamente más pequeña. Además, se puede observar que la línea recta para MBT tiene una pendiente más alta que la de MAT, lo que también indica que MBT puede mostrar una mejor difusión de iones. La pendiente de los dos en la región de baja frecuencia se inclina gradualmente hacia la y -eje, que indica que los iones de electrolito pueden difundirse rápidamente en la estructura de poros del material. El paso de control de la velocidad de la reacción se puede determinar de acuerdo con la reacción electroquímica en la superficie del material del electrodo de modo que el material del electrodo tenga buenas propiedades eléctricas.

Para evaluar más a fondo la capacidad de almacenamiento de carga de Co-ClNW (NiE) en la práctica, se fabricó un supercondensador asimétrico (ASC) que utiliza Co-ClNW (NiE) y CA, respectivamente, como electrodo positivo y electrodo negativo. La figura 6g ilustra las curvas CV de Co-ClNW (NiE) y CA medidas en un sistema de tres electrodos con la ventana de potencial de CA de - 1 a 0 V y Co-ClNW (NiE) de 0 a 0,6 V. is expected that the as-fabricated ASC can be worked to 1.6 V. As shown in Fig. 6h, the CV curves of ASC under different scan rates show a pair of apparent peaks, demonstrating the typical faradaic characteristics [44]. Additionally, a specific capacitance of 117.5 F/g can be obtained from the GCD curve at 1 A/g in Fig. 6i, in accordance with a high energy density of 41.8 W h/kg at the power density of 1280.7 W/kg, higher than many recently publicized works [45, 46]. When the current density is enlarged to 8 A/g, the ACS can still exhibited an energy density of 21.2 W h/kg under a high power density of 6397.3 W/kg. This result clearly suggests that the ACS with the Co-ClNWs(NiE) as positive electrode exhibits a high energy density without sacrificing the high power density though a bulk redox reaction is involved, reflecting a possible method to keep a high energy storage capability under fast charge and discharge processes.

Conclusion

In summary, a Co-ClNWs(NiE) electrode is fabricated via a facile one-step hydrothermal method. The active material Co-ClNWs is deposited on commercial nickel foam to form a free-standing supercapacitor electrode. After the optimization of the structure of the Co-ClNWs(E) electrode prepared by PTFE sticking method, the Co-ClNWs(NiE) electrode displays a high specific capacitance of 2150 F/g under the current density of 1 A/g, with a large energy density of 21.2 W h/kg under a high power density of 6397.3 W/kg even when the current density is up to 8 A/g. These results reveal that Co(CO₃ )_0.35 Cl₀ _.20 (OH)_1.10 1.74H₂ O NWs are very promising candidates for the next generation of energy storage devices. On this basis, the structural advantages of nickel foam make the active materials fully reflect the capacitive properties. The electrode design concept described in this paper makes it possible to develop high-energy supercapacitors.

Abreviaturas

ASC:: Supercondensador asimétrico
Co-ClNWs:: Chlorine-doped carbonated cobalt hydroxide nanowires
Co-ClNWs(E):: Co-ClNWs stuck on the nickel foam
Co-ClNWs(NiE):: Co-ClNWs grown on the nickel foam
CV:: Voltamperometría cíclica
EDLCs:: Electrical double-layered capacitors
GCD:: Galvanostatic charge and discharge measurements
MBT and MAT:: The electrochemical impedance spectra of Co-ClNWs(NiE) before and after cycling

Producción eficiente de grafeno de pocas capas de alta calidad utilizando un método de exfoliación asistida por hidrodinámica simple Un nuevo nanobiosensor magnetoelástico para la detección altamente sensible de atrazina

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias