Ajuste de diatomita decorada con nanoestructuras férricas jerárquicas para supercondensadores

Resultados y discusión

La Figura 2 presenta imágenes SEM de MnO ₂ , FeOOH y α-Fe ₂ O ₃ / γ-Fe ₂ O ₃ nanoarrays en la diatomita. La figura 2a muestra el MnO uniforme y discreto ₂ nanohojas (diatomita @ MnO ₂ ) cultivado en la diatomita mediante un método hidrotermal fácil. En virtud del tratamiento con ácido y la calcinación, MnO ₂ puede combinarse con diatomita firmemente por la fuerza de interacción, lo que facilita las reacciones entre MnO ₂ y Fe ²⁺ . Mientras tanto, muchos poros de diatomita aumentan la difusión de iones. La figura 2b muestra que la diatomita @ FeOOH tiene una morfología similar en comparación con MnO ₂ matrices. De hecho, MnO ₂ se reduce en Fe ²⁺ iones y Fe ²⁺ los iones en solución toman el lugar de Mn. Además, el pretratamiento para la estabilización del cristal MnO ₂ y la ayuda del etilenglicol probablemente genere la morfología de nanohojas similar. El tamaño de α-Fe ₂ O ₃ nanohojas (Fig. 2c) es más grande, y la distancia entre las hojas es mayor bajo la misma condición de gran aumento, en comparación con la de γ-Fe ₂ O ₃ (Figura 2d). La morfología de las muestras a bajo aumento se puede ver en Archivo adicional 1:SI-2 (a – d). Además, el archivo adicional 1:SI-2 (e, f) exhibe las correspondientes asignaciones EDS de diatomita @ MnO ₂ y diatomita @ Fe ₂ O ₃ y además probar la existencia de elementos de convicción (Mn, Fe y O), confirmando la formación de MnO ₂ y Fe ₂ O ₃ nanohojas. Además, el archivo adicional 1:SI-2 (f) muestra que no existe ningún elemento de Mn en el FeOOH cargado en diatomita, lo que indica que el MnO ₂ nanohojas se transfirieron totalmente a hidróxidos de hierro.

Imágenes SEM de diatomita @ MnO ₂ nanocompuesto ( a ), diatomita en nanocompuesto FeOOH ( b ), diatomita @ α-Fe ₂ O ₃ nanocompuesto ( c ), diatomita @ γ-Fe ₂ O ₃ nanocompuesto ( d ); Patrón XRD de las cuatro muestras ( e )

Los patrones XRD de las muestras obtenidas se muestran en la Fig. 2e para confirmar la composición de fase y la estructura de los productos. Se observa que los picos más fuertes de las cuatro muestras marcadas con el símbolo de un punto en todas las curvas son los picos característicos del sustrato de diatomita. La diatomita @ MnO ₂ la muestra mostró picos de difracción a 2 θ =12,784 °, 25,711 ° y 37,522 °, correspondientes a los planos de cristal (110), (220) y (211) (tarjeta JCPDS n. ° 44-0141). En cuanto a las matrices de nanohojas FeOOH, tres picos de difracción del MnO ₂ desaparecen en la curva roja, mientras que algunos picos de difracción bien definidos son bien consistentes con el patrón XRD estándar de FeOOH (tarjeta JCPDS n. ° 29-0713), coincidiendo con (130), (021), (111), ( 121), (140), (221), (151) y (002) plano. Los resultados de XRD de las muestras de óxido / hidróxido férrico muestran que el MnO ₂ los picos desaparecieron y revelan que no hay MnO ₂ nanohojas existentes. Por lo tanto, tanto el mapeo EDS como los resultados de XRD revelan que MnO ₂ se reemplaza completamente por Fe ²⁺ iones en este trabajo. Además, los picos de difracción de α-Fe ₂ O ₃ son más débiles que las de γ-Fe ₂ O ₃ aproximadamente 24,138 ° y 62,449 °, asignados a los planos (012) y (214) del cristal de óxido férrico de tipo hematita (ambos son tarjeta JCPDS nº 33-0664). Confirma nuevamente que el reemplazo entre MnO ₂ y Fe ²⁺ Los iones ocurren con éxito en las interfaces de la diatomita y la solución.

Para investigar las propiedades electroquímicas de las cuatro muestras, se llevó a cabo un sistema de tres electrodos en Na ₂ 1 M SO ₄ electrolito acuoso. Las diferencias en las morfologías y estructuras de estas cuatro muestras pueden conducir a diversos comportamientos electroquímicos. La diatomita que sirve como sustrato contribuye al transporte eficiente de iones debido a sus estructuras porosas.

Como se muestra en el archivo adicional 1:SI-3 (a, b), las curvas CV y ​​CC de diatomita @ MnO ₂ Los electrodos son cuasi-rectangulares y triangulares casi simétricos, respectivamente. No hay picos redox distintos, que se desvían del rectángulo ideal que manifiesta la naturaleza pseudocapacitiva farádica del electrodo. Como se revela en el archivo adicional 1:SI-3 (c, d), diatomita @ FeOOH tiene mejores propiedades capacitivas que otras dos muestras (diatomita @ α / γ-Fe ₂ O ₃ ). La capacitancia específica de los electrodos de diatomita @ FeOOH es de aproximadamente 157,9 F g ⁻¹ a una densidad de corriente de 0,5 A g ⁻¹ , lo que demuestra que la estructura altamente porosa puede transferir más iones a su superficie y puede promover más reacciones farádicas redox. De acuerdo con los resultados de SEM, las distancias de α-Fe ₂ O ₃ Las nanohojas son tan grandes que la superficie del material activo hace menos uso de los cationes, mientras que γ-Fe ₂ O ₃ puede proporcionar el área específica más pequeña para iones entre las tres muestras de óxido férrico. Por tanto, la distancia de las nanohojas de las muestras es muy importante. Además, como se muestra en la Tabla 1, el electrodo de diatomita @ FeOOH en este trabajo tiene una capacitancia específica más alta entre estos electrodos a base de óxido férrico / hidróxido en comparación con el trabajo anterior.

Siendo este el caso, se llevan a cabo pruebas sistemáticas para investigar mejor las propiedades electroquímicas del electrodo de diatomita @ FeOOH. La Figura 3a muestra las curvas CV típicas de una muestra de FeOOH en un rango de potencial de -1 a 0 V a diferentes velocidades de exploración. Las curvas de carga-descarga galvanostáticas del electrodo de diatomita @ FeOOH a diferentes densidades de corriente se presentan en la Fig. 3b. La forma de las curvas CV y ​​CC del electrodo de diatomita @ FeOOH demuestra las características de pseudocapacidad de la diatomita @ FeOOH. La Figura 3c ilustra además la relación entre densidad específica y de corriente. La capacidad cíclica del electrodo de diatomita @ FeOOH se sometió a una prueba de ciclo largo durante 1000 ciclos consecutivos (Fig. 3d), y la capacidad de retención después de 1000 ciclos es aproximadamente del 98,95%. Las curvas CC de los últimos 10 ciclos no sugieren una variación de estructura importante durante los procesos de carga-descarga. Además, los gráficos de Nyquist para el electrodo de muestra FeOOH (archivo adicional 1:SI-4) contienen un semicírculo en el límite de alta frecuencia y una línea recta en el rango de baja frecuencia. La resistencia interna ( R _s ) del electrodo es de aproximadamente 3,0 Ω y 3,5 antes y después de 1000 ciclos sin mucha variación, mientras que la resistencia de transferencia de carga ( R _ct ) es de aproximadamente 1,2 y 4,0 Ω antes y después de 1000 ciclos. Estos hallazgos podrían ser responsables de las buenas propiedades electroquímicas del electrodo de diatomita @ FeOOH.

un Curvas CV de Diatomite @ FeOOH medidas a diferentes velocidades de exploración. b Curvas CC de Diatomita @ FeOOH medidas a diferentes densidades de corriente. c Capacitancia específica medida a diferentes densidades de corriente. d Rendimiento cíclico del electrodo a una densidad de corriente de 1 A g ⁻¹ (el recuadro muestra las curvas de carga-descarga de los últimos 10 ciclos)