Síntesis de nanocajas de Ni (OH) 2 cúbico mediante la coordinación de la ruta de grabado y precipitación para supercondensadores de alto rendimiento

Resumen

El diseño racional de una estructura similar a una jaula es un método eficaz para mejorar el rendimiento capacitivo de los hidróxidos de metales de transición. En este trabajo, se construyeron nanocajas cúbicas de Ni (OH) 2 (Ni (OH) 2 NC) a través de una ruta coordinada de grabado y precipitación (CEP). Los NC de Ni (OH) 2 poseen abundantes sitios activos, suficientes canales de difusión y una velocidad de transferencia de electrones acelerada, que son beneficiosos para la cinética electroquímica. Como electrodo positivo para supercondensadores, el electrodo de espuma Ni (OH) 2 NCs / Ni (NF) presenta una alta capacitancia específica de 539,8 F g ⁻¹ a 1 A g ⁻¹ , que es mucho más grande que la de Ni (OH) 2 NC / NF (Ni (OH) 2 BNC / NF, 87,3 F g ⁻¹ a 1 A g ⁻¹ ). Además, el electrodo de Ni (OH) 2 NC / NF aún retiene el 96,9% de su capacitancia específica inicial después de 2000 ciclos. Los dispositivos de supercondensador asimétrico (ASC) se ensamblaron utilizando Ni (OH) 2 NC / NF y carbón activado (AC) / NF como electrodos positivos y negativos, respectivamente. El ASC exhibe una densidad de energía más alta de 23,3 Wh kg ⁻¹ a una densidad de potencia de 800 W kg ⁻¹ en comparación con Ni (OH) 2 BNC / NF (3 Wh kg ⁻¹ a 880 W kg ⁻¹ ). Estos resultados demuestran que el electrodo Ni (OH) 2 NCs / NF presenta aplicaciones potenciales en el campo del almacenamiento de energía. El diseño de una estructura similar a una jaula allana un camino eficaz para lograr materiales de electrodo de alto rendimiento.

Antecedentes

Para superar los desafíos de la contaminación ambiental y la crisis energética, existen importantes demandas para desarrollar dispositivos de almacenamiento de energía seguros, renovables, limpios y de alto rendimiento como alternativas a los combustibles fósiles [1, 2]. Los supercondensadores poseen características excelentes para resolver estos problemas, como capacidad de alta potencia (10-20 veces mayor que la de las baterías), rendimiento de alta velocidad, tiempo de carga corto y naturaleza amigable con el medio ambiente [3, 4]. Los condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) y los pseudocondensadores (PC) son los dos tipos de supercondensadores comúnmente investigados. En este sentido, los PC gobernados por redox en / cerca de la superficie de electrodos de óxido / hidróxido de metal de transición siempre tienen una densidad de energía más alta que los EDLC y se han convertido en los temas candentes en este campo [5,6,7,8,9,10]. Como hidróxido de metal de transición típico, Ni (OH) ₂ se informó como un material de electrodo de alto rendimiento para PC debido al par redox de Ni ³⁺ / Ni ²⁺ en un medio alcalino [11, 12]. Sin embargo, la capacitancia específica adquirida de Ni (OH) ₂ es siempre mucho menor que el valor teórico debido a la utilización insuficiente de los materiales de los electrodos.

Inspirado por la cinética, el rendimiento capacitivo de los materiales de los electrodos puede medirse a través del diseño de la microestructura y la morfología. Se han dedicado enormes esfuerzos a la síntesis de Ni (OH) ₂ Materiales de electrodos con microestructuras únicas para lograr un rendimiento de almacenamiento de alta eficiencia [13, 14]. En él, la construcción de una estructura porosa hueca en forma de jaula se consideró un método eficaz para obtener electrodos de alto rendimiento. Específicamente, una estructura en forma de jaula puede hacer un uso completo del área de la superficie interna y externa y proporcionar suficientes sitios redox activos, lo que conduce a una capacitancia específica mejorada. Además, la cubierta porosa proporciona cantidades de caminos de difusión para el electrolito, lo que es beneficioso para la reversibilidad del electrodo, lo que da como resultado una excelente estabilidad cíclica y un rendimiento de alta velocidad. Con respecto a la cinética de transferencia de electrones, la capa delgada nanométrica refina la ruta de transferencia de electrones y acelera la tasa de transferencia de electrones [15, 16]. Por lo tanto, mayor rendimiento capacitivo de Ni (OH) ₂ se puede obtener mediante el diseño de una arquitectura porosa hueca en forma de jaula.

El proceso químico con plantilla es el método comúnmente utilizado para preparar arquitecturas en forma de jaula [17, 18]. Los productos finales pueden duplicar con precisión la forma geométrica de las plantillas y conservar una morfología bien definida con una distribución de tamaño estrecha [19, 20]. En este trabajo, Ni (OH) ₂ Los NC se fabricaron utilizando Cu ₂ cúbico Los cristales de O como moldes de sacrificio a través de tiosulfato implicaron la coordinación del principio de grabado y precipitación (CEP). El Ni (OH) ₂ sintetizado Se empleó NC / NF como electrodo positivo para supercondensadores y Ni (OH) ₂ Los BNC / NF se introdujeron como una muestra de contraste para confirmar las ventajas estructurales de la arquitectura tipo jaula. Ni (OH) ₂ NC / NF muestra una alta capacitancia específica de 539,8 F g ⁻¹ a 1 A g ⁻¹ , que es mucho más grande que el de Ni (OH) ₂ BNC / NF (87,3 F g ⁻¹ a 1 A g ⁻¹ ). El dispositivo de supercondensador asimétrico (ASC) presenta una alta densidad de energía de 23,3 Wh kg ⁻¹ a 800 W kg ⁻¹ , y este valor es mucho mayor que el de Ni (OH) ₂ BNC / NF // AC (3 Wh kg ⁻¹ a 880 W kg ⁻¹ ). Los resultados revelan que Ni (OH) ₂ El electrodo NC / NF presenta una perspectiva atractiva en supercondensadores. La forma de diseñar arquitectura porosa hueca en forma de jaula también es significativa en otros campos, como sensores y catalizadores.

Métodos / Experimental

Preparación de Cu ₂ O Plantillas

Cu cúbico ₂ Los cristales de O se sintetizaron de acuerdo con nuestro informe anterior [21]. Se añadieron 50 mililitros de solución de NaOH (2 M) al CuCl ₂ agitado. · 2H ₂ O (500 ml, 0,01 M) en 3 min a 55 ° C. Después de agitar durante 30 min, se añadieron gota a gota 50 ml de solución de ácido ascórbico 0,6 M. Las muestras finales se centrifugaron después de 3 hy se secaron al vacío.

Síntesis de Ni (OH) ₂ NC

400 mg Cu ₂ O plantillas y diferentes dosis de NiCl ₂ Los poderes se vertieron en un vaso de precipitados de 1000 ml que contenía una mezcla de 400 ml de agua y alcohol (relación de volumen =1:1). La relación de masa de Cu ₂ O plantillas y NiCl ₂ poderes se controla como 5:1, 2.5:1, 1.67:1 y 1.25:1 (correspondiente NiCl ₂ la dosis es de 80 mg, 160 mg, 240 mg y 320 mg, respectivamente). Después del tratamiento ultrasónico durante 10 min, se dispersaron 13,2 mg de polivinilpirrolidona (PVP) en la solución con agitación. Después de 30 min, 160 ml de Na ₂ 1 M S ₂ O ₃ se añadió gota a gota a la solución a temperatura ambiente. Después de 3 h, los productos finales se recogieron por centrifugación y se secaron en un horno. Ni (OH) ₂ Los BNC se obtuvieron mediante el tratamiento ultrasónico de Ni (OH) ₂ NC durante 2 h en alcohol (Archivo adicional 1:Figura S1).

Caracterizaciones de materiales

La estructura y composición química de los productos se analizaron mediante difracción de rayos X en polvo (XRD, Rigaku D / Max-2400) utilizando radiación Cu Kα y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X ESCALAB 250Xi (XPS, EE. UU.). Las morfologías de los productos se investigaron en un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo Zeiss Gemini 300 (FESEM). Se realizaron observaciones con microscopio electrónico de transmisión (TEM) en un dispositivo FEI F20. El área de superficie específica y la característica porosa se midieron en un instrumento Belsort-max.

Mediciones electroquímicas

Todas las mediciones electroquímicas se realizaron en una estación de trabajo μIII Autolab en KOH 3 M con lámina de Pt (1 cm x 1 cm) y Ag / AgCl (KCl saturado) como electrodos contadores y de referencia, respectivamente. Los electrodos de trabajo se construyeron mediante los siguientes procedimientos:primero, los materiales de los electrodos (Ni (OH) ₂ NC obtenidos en diferentes tiempos de reacción y Ni (OH) ₂ BNC), negro de acetileno y politetrafluoroetileno (PTFE al 5%) se mezclaron con una relación de masa de 80:15:5 en etanol. Y luego, la mezcla se revistió sobre NF (1 cm x 1 cm) y se secó en un horno. La masa de carga se calculó como 3,4 mg / cm ² . El rendimiento electroquímico se examinó mediante voltamperometría cíclica (CV), descarga de carga galvanostática (GCD) e impedancia electroquímica (EIS). Las pruebas de EIS se realizaron entre 0,01 y 100 kHz con una amplitud de perturbación de 5 mV. La capacitancia específica de los electrodos se calculó de acuerdo con la siguiente ecuación:

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

donde yo es la corriente de descarga (A), t es el tiempo de descarga, Δ V es la ventana potencial (V), m es la masa total (g) de los materiales de los electrodos. Las ASC se prepararon con Ni (OH) ₂ NC (o Ni (OH) ₂ BNC)) y CA como electrodos positivo y negativo, respectivamente. El electrodo de CA se preparó revistiendo una mezcla de CA y aglutinante de PTFE (90:10) sobre NF (1 cm x 1 cm). Luego, los dos electrodos se ensamblaron junto con un separador en KOH 3 M.

Resultados y discusiones

Caracterizaciones

Patrón XRD del Ni (OH) ₂ preparado NC se registró en la Fig. 1a. Los tres fuertes picos observados ubicados a 33,1 °, 38,5 ° y 60,2 ° corresponden a (100), (101) y (003) planos cristalinos de β hexagonales. -Ni (OH) ₂ (JCPDS nº 14-0117) [22]. Se realizaron mediciones de XPS para confirmar la composición química. Las señales de Ni, O y C se observan claramente en el espectro de la encuesta, lo que revela que la muestra se compone principalmente de Ni y O. Como se muestra en la figura 1c, las señales concentradas se ubican en 873,7 eV y 856,1 eV con una separación de 17,6 eV puede atribuirse a Ni 2p _1/2 y Ni 2p _3/2 de Ni ²⁺ _, respectivamente [23, 24]. Los picos ubicados en 879,9 eV y 861,7 eV son las señales de satélite correspondientes para Ni 2p _1/2 y Ni 2p _3/2, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 1d, el pico de O1s ubicado en 531.2 eV presenta una característica típica del enlace Ni-O-Ni en Ni (OH) ₂ [25, 26]. Sobre la base de las discusiones anteriores, los productos preparados se pueden deducir a Ni (OH) ₂ fase.

un Patrón XRD del Ni (OH) ₂ preparado NC. b - d Espectros XPS del Ni (OH) ₂ NC. b Encuesta. c Ni 2p. d O 1s

Se emplearon observaciones SEM y TEM para confirmar aún más la característica morfológica de los productos. Archivo adicional 1:La Figura S2a muestra el patrón XRD del Cu ₂ preparado O. Todos los picos de difracción se pueden indexar a JCPDS no. 78-2076, confirmando la preparación exitosa de Cu ₂ O. Imagen SEM de Cu ₂ O plantillas en el archivo adicional 1:la figura S2b revela la característica cúbica de los productos con una longitud de borde de aproximadamente 500 nm. Como se observa en la Fig. 2a, el Ni (OH) ₂ las muestras conservan una morfología cúbica uniforme bien definida después del proceso CEP. El Ni (OH) ₂ los cubos tienen una longitud de borde de 500 nm (Fig. 2b), que es más o menos lo mismo que Cu ₂ O plantillas. Como puede verse en el recuadro de la Fig. 2b, la superficie de Ni (OH) ₂ Los cubos están compuestos por cantidades de partículas finas y presentan características porosas. La imagen TEM en la Fig. 2c exhibe una aparente cavidad interna, revelando la característica similar a una jaula de Ni (OH) ₂ productos. Como se muestra en la Fig. 2d, la longitud del borde es de 500 nm, lo que es consistente con la observación de SEM. Además, el grosor de la capa de Ni (OH) ₂ NC se identifica como 50 nm (Fig. 2d). Las investigaciones de SEM y TEM demuestran la característica de jaula de los productos. La estructura porosa hueca en forma de jaula proporciona una gran área de superficie y cantidades de caminos de difusión, lo que puede favorecer el proceso de transporte de masa, lo que lleva a un rendimiento capacitivo sobresaliente.

un , b SEM y c , d Imágenes TEM del Ni (OH) ₂ NC

Las fotografías ópticas y las imágenes TEM de Ni (OH) ₂ Los NC se registraron en diferentes tiempos de reacción para darse cuenta del mecanismo de formación. Como se muestra en la Fig. 3a, la solución de reacción exhibe un color rojo ladrillo a los 5 min, lo que indica que ocurren pequeñas reacciones en la etapa inicial. Posteriormente, el color de la solución se aclara gradualmente. Después de 3 h, el color de la solución se vuelve verde claro, que es el color de los productos finales. Como se ilustra en la Fig. 3b, los productos presentan una cavidad interna parcialmente hueca debido a la disolución de Cu ₂ O plantillas a los 5 min. Además, el grabado de Cu ₂ interno O ocurrió preferentemente en la esquina debido a la cinética de difusión adecuada. El Cu ₂ interno Los cristales de O se disuelven continuamente hasta que desaparecen por completo a las 3 h. El diagrama esquemático se ilustró en el Esquema 1. Generalmente, el mecanismo de formación de Ni (OH) ₂ NC se muestra a continuación (ecuación (2)):

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

un Las fotografías ópticas del sistema de reacción en un tiempo de reacción diferente. b Imágenes TEM de los productos obtenidos en diferentes tiempos de reacción

Diagrama esquemático del proceso de formación

Ni ²⁺ iones en Eq. (2) son el Ni ²⁺ absorbido en la superficie de Cu ₂ O cristales (Paso 1). OH ^- iones en Eq. (2) se liberan de la corrosión de Cu ₂ Cristales de O (ecuación (3)) e hidrolización de S ₂ O ₃ ^2- (Ecuación (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)

Las ecuaciones (3) y (4) son el mecanismo para S ₂ O ₃ ²⁻ involucró el proceso CEP, que ocurre en los Pasos 2 y 3. El proceso cinético detallado es similar a la formación de Co (OH) ₂ NC en nuestro artículo publicado [27]. El transporte de S ₂ O ₃ ²⁻ hacia Cu ₂ O determina la velocidad de corrosión y el OH liberado ^- iones del interior presenta la tasa de crecimiento de Ni (OH) ₂ NC. El control cooperativo de los dos procesos da como resultado la formación de Ni (OH) ₂ bien definido NC.

La figura 4 muestra el N ₂ curvas de isoterma de adsorción-desorción de Ni (OH) ₂ NC y Ni (OH) ₂ BNC. El área de superficie BET de Ni (OH) ₂ NC es 54,7 m ² / g, que es mucho más grande que el de Ni (OH) ₂ BNC (38,1 m ² /gramo). Los resultados indican que la arquitectura porosa hueca otorga Ni (OH) ₂ NC con mayor superficie específica. Las distribuciones del tamaño de los poros (inserciones de ayb) revelan la estructura mesoporosa de Ni (OH) ₂ NC y Ni (OH) ₂ BNC. El volumen de poros de Ni (OH) ₂ NC se calcula como 0,25 cm ³ / g, que es más grande que Ni (OH) ₂ BNC (0,19 cm ³ /gramo). Además, se investiga una distribución de poros concentrada entre 2,7 y 6,1 nm para Ni (OH) ₂ NC, que está relacionado con el espacio entre nanopartículas. Sin embargo, no se observa una distribución obvia de poros concentrados para Ni (OH) ₂ BNC, revelando la destrucción de canales de difusión ordenados. La gran superficie y los canales de difusión ordenados son beneficiosos para la cinética electroquímica, lo que da como resultado un excelente rendimiento capacitivo.

APUESTA medidas de a Ni (OH) ₂ NC y (b) Ni (OH) ₂ BNC. Inserciones de a y b son las distribuciones de tamaño de poro correspondientes de Ni (OH) ₂ NC y Ni (OH) ₂ BNC, respectivamente

Rendimiento electroquímico de Ni (OH) ₂ NC

Para obtener la mejor propiedad capacitiva, Ni (OH) ₂ Se prepararon NC con diferentes espesores de capa controlando la dosis de NiCl ₂ polvos. Como se muestra en la Fig. 5, el grosor de la capa aparentemente aumenta de 27,4 a 76,7 nm con el aumento de la relación de masa de 5:1 a 1,67:1. Sin embargo, el grosor de la capa solo aumenta ligeramente de 76,7 nm a 79 nm con el aumento adicional de la relación de masa a 1,25:1. Los resultados se pueden atribuir a la dificultad cinética en la difusión de masa causada por la obstrucción de la cáscara. Las curvas GCD de Ni (OH) ₂ NC obtenidos con diferentes NiCl ₂ se midieron las dosis y los datos se registraron en la Fig. 6a. Está claro que la muestra con Cu ₂ O / NiCl ₂ 2.5:1 muestra el tiempo de descarga más largo por debajo de 4 A / g, lo que indica el mejor rendimiento capacitivo. Este resultado puede atribuirse a la cinética de transporte de masa adecuada derivada del grosor moderado de la carcasa. Además, el rendimiento capacitivo de Ni (OH) ₂ NC obtenidos con Cu ₂ O / NiCl ₂ 2.5:1 se evaluó de manera contrastante con Ni (OH) ₂ BNC. Como se muestra en la Fig. 6b, se observan claramente picos redox significativos en las curvas CV de Ni (OH) ₂ NC y Ni (OH) ₂ BNC, que revelan la característica pseudocapacitiva de los dos electrodos. El proceso redox corresponde al mecanismo de almacenamiento relacionado con Ni (OH) ₂ / Pareja redox NiOOH ilustrada en la Ec. (5) [28, 29].

$$ \ mathrm {Ni} {\ left (\ mathrm {OH} \ right)} _ 2 + {\ mathrm {OH}} ^ {-} \ leftrightarrow \ mathrm {Ni} \ mathrm {OOH} + {\ mathrm {H }} _ 2 \ mathrm {O} + {e} ^ {-} $$ (5)

un - d Imágenes TEM del Ni (OH) ₂ NC obtenidos con diferente relación de masa de Cu ₂ O / NiCl ₂ . e - h Imágenes TEM de las conchas correspondientes de a - d

un Curvas MCD de los productos obtenidos con diferentes raciones de masa de Cu ₂ O / NiCl ₂ a 4 A g ⁻¹ . b Los CV de Ni (OH) ₂ NC / NF y Ni (OH) ₂ BNC / NF a una velocidad de exploración de 60 mV / s. c Los CV de Ni (OH) ₂ NC / NF a diferentes velocidades de escaneo. d Curvas GCD de Ni (OH) ₂ NC / NF y Ni (OH) ₂ BNC / NF a 1 A g ⁻¹ . e Curvas GCD de Ni (OH) ₂ NC / NF a diferentes densidades de corriente. f El esquema de las ventajas del almacenamiento de carga para Ni (OH) ₂ NC. g La estabilidad cíclica de Ni (OH) ₂ NC / NF a 8 A g ⁻¹ . h Los espectros EIS de Ni (OH) ₂ NC / NF y Ni (OH) ₂ BNC / NF

El área encapsulada de CV de Ni (OH) ₂ NC es mucho más grande que el de Ni (OH) ₂ BNC, que demuestran una mayor capacitancia específica. Los CV de Ni (OH) ₂ En la figura 6c se muestran NC a diversas velocidades de exploración. La curva CV aún conserva una forma bien definida incluso a una alta velocidad de barrido de 100 mV / s, lo que demuestra una capacidad de velocidad excepcional y una alta reversibilidad electroquímica. Además, la corriente máxima aumenta linealmente con la raíz cuadrada de las velocidades de exploración, lo que revela que la difusión masiva es el factor dominado (archivo adicional 1:Figura S3). Como se presenta en la Fig. 6d, las curvas GCD de Ni (OH) ₂ Los NC muestran un tiempo de descarga más prolongado que el Ni (OH) ₂ BNC a 1 A g ⁻¹ , lo que demuestra que Ni (OH) ₂ Los NC exhiben una capacitancia específica más alta que Ni (OH) ₂ BNC. La Fig. 6e presenta las curvas GCD de Ni (OH) ₂ NC a diferentes densidades de corriente. Las capacitancias específicas calculadas para Ni (OH) ₂ Los NC son 539,8, 445,5, 409,4, 391,3, 360,2 y 340,7 F g ⁻¹ en 1, 2, 3, 4, 5 y 6 A g ⁻¹ , respectivamente (Archivo adicional 1:Figura S4). Los valores calculados para Ni (OH) ₂ Los BNC son 87,3, 77,4, 72,9, 67,8, 64,1 y 60,5 F g ⁻¹ a la densidad de corriente correspondiente (archivo adicional 1:Figura S5). Las ventajas estructurales del Ni (OH) ₂ Los NC se ilustran en la Fig. 5f. Primero, la característica similar a una jaula proporciona cantidades de sitios activos para las reacciones de Faraday. En segundo lugar, la capa delgada porosa acorta la distancia de migración de los electrones, lo que da como resultado una alta tasa de transferencia de electrones. En tercer lugar, la capa porosa proporciona suficientes canales de difusión para el electrolito, lo que mejora la tasa de utilización de Ni (OH) ₂ . La estabilidad cíclica de Ni (OH) ₂ Los NC se evaluaron repitiendo las mediciones de GCD a 8 A g ⁻¹ (Figura 6 g). Se observa que la capacitancia específica aún retiene el 96,9% de su valor inicial después de 2000 ciclos, que es mucho mayor que la del Ni (OH) ₂ BNC (61,5%, archivo adicional 1:Figura S6). Como se muestra en el recuadro, los últimos 10 ciclos muestran poca diferencia en comparación con los primeros 10 ciclos de carga y descarga, lo que revela una excelente estabilidad. La pequeña atenuación de la capacitancia se puede atribuir a la pequeña cantidad de desprendimiento de Ni (OH) ₂ NC de NF. El vacío interno y los poros de la cáscara proporcionan suficiente espacio para la liberación de una tensión durante el proceso de ciclado [30].

Para confirmar las ventajas de la estructura en forma de jaula en cinética, los espectros EIS se registraron en la Fig. 6h y el circuito equivalente se ilustró en el archivo adicional 1:Figura S7. El circuito equivalente se compone principalmente de Rs, Rct, Zw, CPE y CL. Allí, Rs es la resistencia interna del sistema de electrodos. Rct es la resistencia de transferencia de carga relacionada con el radio del semicírculo en los espectros EIS. Zw es la impendencia de Warburg correspondiente a la pendiente de EIS en alta frecuencia. Aunque Ni (OH) ₂ El electrodo NC / NF tiene más o menos el mismo valor Rs (0,27 Ω) en comparación con Ni (OH) ₂ BNC / NF (0,25 Ω), Ni (OH) ₂ NCs / NF tiene una Rct mucho más baja (120,8 Ω) que la de Ni (OH) ₂ BNC (976,5 Ω), lo que revela una mayor tasa de transferencia de electrones. La alta tasa de transferencia de electrones se puede atribuir a una capa delgada suficiente de Ni (OH) ₂ NC. Aparentemente, Ni (OH) ₂ El electrodo NC / NF presenta una pendiente mucho mayor que Ni (OH) ₂ BNCs / NF, demostrando un proceso de difusión más directo. La difusión sin obstáculos se puede atribuir a los canales ordenados y la característica porosa de Ni (OH) ₂ Electrodo NCs / NF. Sobre la base de las discusiones anteriores, Ni (OH) ₂ El electrodo NC / NF posee ventajas significativas en cinética electroquímica en comparación con Ni (OH) ₂ BNC / NF.

Rendimiento electroquímico del dispositivo ASC

El dispositivo ASC de Ni (OH) ₂ NCs / NF // AC se construyó de acuerdo con la Fig. 7a. Ni (OH) ₂ El electrodo NC / NF y el AC se separaron con un papel de celulosa. Como se ilustra en la Fig. 7b, la curva CV del electrodo de CA presenta una característica casi rectangular, que revela el mecanismo de almacenamiento de EDLC típico. Además, el electrodo de CA se puede ciclar dentro de - 1 a 0 V y Ni (OH) ₂ El electrodo NC / NF se puede ciclar dentro de 0 a 0,6 V, lo que revela que el dispositivo ASC puede proporcionar un voltaje de funcionamiento de 1,6 V. Las curvas CV mostradas en la Fig.7c muestran una forma bien definida incluso a altas velocidades de exploración, lo que implica una masa excelente cinética de transporte y eminente reversibilidad. Las curvas GCD del dispositivo ASC a diferentes densidades de corriente se muestran en la Fig. 7d. La densidad de energía y la densidad de potencia del dispositivo se calcularon de acuerdo con la Fig. 7d. Una densidad de energía de 23,3 Wh Kg ⁻¹ se logra a una densidad de potencia de 800 W Kg ⁻¹ . Una densidad de energía de 9,6 Wh Kg ⁻¹ todavía se obtiene incluso a una alta densidad de potencia de 8000 W Kg ⁻¹ . La densidad de energía es mucho mayor que la del Ni (OH) ₂ BNCs / NF // AC ASC (Archivo adicional 1:Figura S8, 3 Wh Kg ⁻¹ a 880 W Kg ⁻¹ ). Además, la densidad de energía máxima del ASC también es mayor que la del Ni (OH) ₂ -materiales basados en [31, 32]. La estabilidad del ciclo se estimó repitiendo las mediciones de GCD a 4 A g ⁻¹ durante 2000 ciclos. La capacitancia específica final aún retiene el 90,1% de su valor más grande y este valor es mucho mayor que el de Ni (OH) ₂ BNCs / NF // AC ASC (Archivo adicional 1:Figura S9, 60%). Además, las últimas diez curvas GCD son similares a los primeros diez ciclos, mostrando una excelente estabilidad del dispositivo ASC. Como se muestra en la Fig. 7f, Ni (OH) ₂ Los NC aún conservan la morfología cúbica uniforme en forma de jaula después de 2000 ciclos, lo que demuestra aún más la excelente estabilidad cíclica. La pérdida de la capacitancia específica puede atribuirse a la pequeña cantidad de material activo que cae de NF.

un Esquema del Ni (OH) ₂ NCs / NF // Dispositivo AC. b Los CV de AC y Ni (OH) ₂ Electrodos NC / NF en un sistema de tres electrodos. c Los CV de Ni (OH) ₂ NCs / NF // AC ASC entre 0 y 1,6 V. d Curvas GCD del ASC a diferentes densidades de corriente entre 0 y 1,6 V. e Estabilidad cíclica del ASC durante 2000 ciclos a 4 A g ⁻¹ . f Las imágenes SEM del electrodo positivo antes y después del ciclo

Conclusiones

En general, Ni (OH) ₂ Los NC se construyeron con éxito mediante un método CEP y se utilizaron como electrodo para supercondensadores. Ni (OH) ₂ Los NC presentan una gran superficie específica de 54,7 m ² / gy una distribución de tamaño de poro concentrada entre 2,7 y 6,1 nm. La capa delgada acorta la ruta de transferencia y mejora la tasa de transferencia de electrones. Como electrodo positivo para supercondensadores, Ni (OH) ₂ NC / NF muestra una capacitancia específica de 539,8 F g ⁻¹ a 1 A g ⁻¹ , que es mucho más grande que el de Ni (OH) ₂ BNC / NF // AC (87,3 F g ⁻¹ a 1 A g ⁻¹ ). La capacitancia específica aún retiene aproximadamente el 96,9% de su valor inicial después de 2000 ciclos. El ASC de Ni (OH) ₂ NCs / NF // AC posee una densidad de energía de 23,3 Wh Kg ⁻¹ a 800 W Kg ⁻¹ , que es mucho más grande que el de Ni (OH) ₂ BNC (3 Wh Kg ⁻¹ a 880 W Kg ⁻¹ ). Los resultados demuestran que el Ni (OH) ₂ diseñado Los NC tienen aplicaciones potenciales en el campo del almacenamiento de energía.