Hidróxidos de níquel-cobalto con nanoláminas ajustables de capa fina para electrodo supercondensador de alto rendimiento

Resumen

Los hidróxidos dobles en capas como materiales de electrodo de supercondensador típicos pueden exhibir un rendimiento de almacenamiento de energía superior si sus estructuras están bien reguladas. En este trabajo, se utiliza un método hidrotermal simple de un solo paso para preparar diversos hidróxidos dobles de níquel-cobalto (NiCo-LDH), en los que los diferentes contenidos de urea se utilizan para regular las diferentes nanoestructuras de NiCo-LDH. Los resultados muestran que la disminución en el contenido de urea puede mejorar efectivamente la dispersabilidad, ajustar el espesor y optimizar las estructuras de poros internos de NiCo-LDH, mejorando así su rendimiento de capacitancia. Cuando el contenido de urea se reduce de 0.03 a 0.0075 g bajo una proporción de masa de materiales precursores fija de níquel (0.06 g) a cobalto (0.02 g) de 3:1, la muestra preparada NiCo-LDH-1 exhibe el espesor de 1.62 nm , y se forman las estructuras de nanolaminas transparentes de capa fina y un gran número de poros superficiales, lo que es beneficioso para la transmisión de iones al material del electrodo. Después de ser preparado como electrodo de supercondensador, el NiCo-LDH-1 muestra una capacitancia específica ultra alta de 3982,5 F g ⁻¹ bajo la densidad de corriente de 1 A g ⁻¹ y alta retención de capacitancia por encima del 93,6% después de 1000 ciclos de carga y descarga a una alta densidad de corriente de 10 A g ⁻¹ . El excelente rendimiento electroquímico de NiCo-LDH-1 se demuestra mediante el ensamblaje de un supercondensador asimétrico de dos electrodos con esferas de carbono, que muestran la capacitancia específica de 95 F g ⁻¹ a 1 A g ⁻¹ con la retención de capacitancia del 78% durante 1000 ciclos. El trabajo actual ofrece una manera fácil de controlar la nanoestructura de NiCo-LDH, confirma la importante influencia de la urea en la mejora del rendimiento capacitivo para el electrodo de supercondensador y brinda una gran posibilidad para el desarrollo de supercondensadores de alto rendimiento.

Introducción

Como dispositivo de almacenamiento de energía ecológico, el supercondensador está atrayendo mucha atención debido a sus ventajas únicas que incluyen un ciclo de vida prolongado, una reversibilidad superior, una alta densidad de potencia y una gran fiabilidad [1, 2, 3]. En los últimos años, se ha aplicado potencialmente en muchas aplicaciones prospectivas, como automóviles eléctricos, dispositivos portátiles inteligentes y computadoras portátiles, lo que es de gran importancia para la utilización y el almacenamiento de energía en el futuro. Sin embargo, la menor densidad de energía de los supercondensadores siempre ha sido una razón importante para limitar su desarrollo posterior. Es bien sabido que el factor crucial para determinar la capacidad del supercondensador es la propiedad electroquímica del material del electrodo. Por tanto, la principal solución en la actualidad es desarrollar materiales para electrodos con excelentes propiedades electroquímicas [4, 5, 6, 7, 8, 9]. Los materiales de carbono [10,11,12,13], óxidos de metales de transición [14], hidróxidos de metales de transición (TMH) [15,16,17] y polímeros conductores [18] son los principales materiales utilizados como electrodos supercondensadores. Entre ellos, los nanomateriales multihíbridos de TMH se han convertido en una fuerte tendencia de exploración debido a la existencia de un efecto sinérgico, una capacidad de control superior de la composición química, una actividad redox sobresaliente y un rendimiento de intercambio aniónico excelente. Como TMH típico, se prefiere el hidróxido de níquel-cobalto debido a su bajo precio, proceso de preparación simple y alta capacitancia teórica. Sin embargo, sigue siendo un gran desafío obtener materiales de electrodo de alto rendimiento de hidróxidos de níquel-cobalto mediante un método simple.

Las propiedades electroquímicas de los hidróxidos de níquel-cobalto dependen en gran medida de las nanoestructuras morfológicas especiales [19,20,21,22,23] y la composición de los iones metálicos [24, 25]. En estudios anteriores, Wu et al. [26] matrices de nanohojas de hidróxidos dobles con capas jerárquicas de níquel-cobalto poroso y dopado con vanadio sintetizado que proporcionaban una alta capacitancia específica de 2960 F g ⁻¹ a una densidad de corriente de 1 A g ⁻¹ . Yan y col. [27] diseñó las microesferas huecas de hidróxido doble con capas de níquel-cobalto con una morfología similar a la de una hortensia, que exhiben una capacitancia específica de 2158.7 F g ⁻¹ bajo una densidad de corriente de 1 A g ⁻¹ . Se hicieron otros esfuerzos para disminuir la resistencia, aumentar la conductividad eléctrica de los materiales de los electrodos y obtener otras morfologías especiales con una alta superficie específica. Cuando el material activo creció en la superficie del sustrato, formaría una estructura tridimensional en capas que podría asegurar el contacto completo entre el ion electrolito y el material activo y mejorar la eficiencia de la reacción. Con base en esto, Ouyang et al. [28] obtuvo una alta capacitancia específica de 2047 F g ⁻¹ a una densidad de corriente de 1 A g ⁻¹ mediante la fabricación de partículas de hidróxidos dobles con capas de níquel-cobalto esféricas estructuradas jerárquicamente que crecen en carbono poroso de biomasa. Zha y col. [29] diseñó y fabricó con éxito nanoláminas de sulfuro de níquel-cobalto altamente abiertas sobre espuma de Ni, que presentaban baja resistencia y alta capacitancia específica de 2553,9 F g ⁻¹ bajo una densidad de corriente de 0,5 A g ⁻¹ . Desafortunadamente, aunque se ha logrado un gran progreso en los estudios anteriores sobre hidróxidos en capas de níquel-cobalto, la capacitancia específica de la mayoría de ellos como materiales de electrodo aún permanece por debajo de 3000 F g ⁻¹ .

En este trabajo, proponemos una estrategia fácil y eficaz para cultivar NiCo-LDH en la espuma de níquel y ajustar las nanoestructuras de los materiales de los electrodos para mejorar la capacidad de almacenamiento de carga. Las NiCo-LDH se preparan mediante un proceso hidrotermal de un solo paso, con la estructura que incluye la dispersión, el espesor y las porosidades fácilmente ajustables mediante la disminución del contenido de urea en una relación de masa fija de Ni a Co de 3:1. El NiCo-LDH-1 óptimo muestra nanoláminas de capa fina con un grosor de aproximadamente 1,62 nm y estructuras porosas obvias. La estructura porosa de capa fina puede proporcionar abundantes sitios activos para la reacción redox, aumentar la afinidad del electrolito y los materiales del electrodo y reducir la resistencia a la difusión y la distancia de migración de los iones del electrolito. Como resultado, NiCo-LDH-1 exhibe una capacitancia específica ultra alta de 3982.5 F g ⁻¹ bajo la densidad de corriente de 1 A g ⁻¹ y alta retención de capacitancia por encima del 93,6% después de 1000 ciclos de carga y descarga a una alta densidad de corriente de 10 A g ⁻¹ . El excelente rendimiento electroquímico de NiCo-LDH-1 se demuestra aún más al ensamblar un supercondensador asimétrico de dos electrodos con esferas de carbono, que muestran la capacitancia específica de 95 F g ⁻¹ a 1 A g ⁻¹ y la retención de capacitancia con un 78% en 1000 ciclos.

Métodos

La espuma de níquel (NF, 1 cm ² ) utilizado en el experimento fue proporcionado por Canrd Co., Ltd., China. Antes de su uso, se sometió a ultrasonidos en HCl 2 M durante 15 min para eliminar el óxido adherido a la superficie y luego se lavó con grandes cantidades de agua desionizada y etanol para eliminar los iones de la superficie. Después de eso, se secó a 60 ° C durante 3,5 h al vacío. Todos los demás productos químicos eran de calidad analítica, se compraron a Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., en China y se usaron sin purificación adicional.

En un procedimiento típico, en primer lugar 0,06 g de NiCl ₂ · 6H ₂ O y 0,02 g de CoCl ₂ · 6H ₂ Se disolvieron O en 80 ml de agua desionizada bajo ultrasonidos durante 15 min. En segundo lugar, se puso urea en la solución mezclada y se mantuvo la ultrasonidos durante 10 min hasta que el sólido se dispersó por completo. Luego, los NF con cinta resistente al calor en un lado se unieron en diagonal a la parte inferior del autoclave de acero inoxidable revestido con teflón después de medir su masa. Finalmente, la solución homogénea se transfirió al autoclave y luego se mantuvo a 100 ° C durante 8 h. Después de la reacción, los NF enfriados depositados con NiCo-LDH se extrajeron y se lavaron con agua desionizada para eliminar las impurezas adheridas en la superficie y luego se secaron a 60 ° C durante 4 h en condiciones de vacío. Los contenidos totales de urea fueron 0,0075, 0,015 y 0,03 g, respectivamente, correspondientes a las muestras de NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 y NiCo-LDH-3. La muestra, preparada de la misma manera que las mencionadas anteriormente, excepto sin agregar urea, se denominó NiCo-LDH-0.

Se utilizó el difractómetro automático de rayos X (XRD, D8 Advance) para medir la estructura cristalina de los materiales. Se utilizó un espectrómetro de fotoelectrones de rayos X (XPS, ESCALAB 250Xi) para medir la valencia del elemento y el contenido de los materiales. Se utilizó un microscopio electrónico de barrido de alto y bajo vacío (SEM, JSM-6360LV) para observar la morfología y composición de la microestructura de la superficie de las muestras. Se utilizó un microscopio electrónico de transmisión (TEM, TF20 Jeol 2100F) para observar la ultraestructura del material. Se utilizó el Microscopio de Fuerza Atómica (AFM, Dimension Icon) para obtener la información de la estructura de la topografía de la superficie y la información de la rugosidad de la superficie con una resolución nanométrica. Se utilizó el mapeo de elementos de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (mapeo EDS) para medir la distribución de elementos.

Se utilizó un sistema típico de tres electrodos en una solución de KOH 1 M para probar el rendimiento electroquímico. La espuma de níquel preparada cultivada con material de electrodo fue el electrodo de trabajo, y la placa de platino y el electrodo de calomelanos saturado se utilizaron como contraelectrodo y electrodo de referencia, respectivamente, por lo que los voltamogramas cíclicos (CV), curvas de carga-descarga galvanostática (GCD ), se midieron las pruebas de impedancia electroquímica (EIS) y estabilidad del ciclo. La capacitancia específica C _c (F g ⁻¹ ) y capacidad específica Q (C g ⁻¹ ) de las muestras se puede calcular de acuerdo con los parámetros obtenidos por las curvas de descarga galvanostática, y las expresiones son las siguientes:

$$ \ begin {array} {c} {C} _ {c} =\ frac {I \ times \ Delta t} {\ Delta V \ times m} \ end {array} $$ (1) $$ \ begin {matriz} {c} Q =\ frac {I \ veces \ Delta t} {m} \ end {matriz} $$ (2)

donde yo (A) representa la corriente de descarga; Δ t (s) significa el tiempo de descarga; Δ V (V) da la ventana de potencial de descarga; y m (g) corresponde a la masa del material activo, aproximadamente 0,0012 g.

Se fabrica un supercondensador asimétrico (ASC) en un sistema de dos electrodos después de equilibrar las cargas con Q _{s +} m _{s +} =Q _s- m _s- . El NiCo-LDH-1 / NF se utiliza como electrodo positivo, y el electrodo negativo se obtiene mezclando esferas de carbón, negro de carbón y PTFE en una proporción de 8:1:1 en el NF. El electrolito es el mismo que en el sistema de tres electrodos, y el rango de ventanas de potencial para ASC es 0 ~ 1.4 V. Para examinar los rendimientos electroquímicos prácticos, la densidad de energía específica E _c (W h kg ⁻¹ ) y densidad de potencia específica P _c (W kg ⁻¹ ) para la configuración asimétrica se calculan de la siguiente manera:

$$ \ begin {array} {c} {E} _ {c} =\ frac {{C} _ {c} {\ left (\ Delta V \ right)} ^ {2}} {2 \ times 3.6} \ end {matriz} $$ (3) $$ \ begin {matriz} {c} {P} _ {c} =\ frac {{E} _ {c} \ times 3600} {\ Delta t} \ end { matriz} $$ (4)

donde yo (A) representa la corriente de descarga; Δ t (s) da el tiempo de descarga; Δ V (V) corresponde a las ventanas potenciales; m (g) significa la masa activa total de los electrodos positivo y negativo, alrededor de 0,0065 g.

Resultados y discusión

La Figura 1 ilustra las microestructuras y morfologías de NiCo-LDH cultivadas en el NF preparado con diferente contenido de urea. La Figura 1a-l muestra las imágenes SEM, las imágenes AFM y el grosor de las muestras, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 1a, el NiCo-LDH-3 sintetizado presenta estructuras en forma de hoja apiladas y entretejidas en la dirección horizontal paralela al NF. Las estructuras en forma de hoja son irregulares y tienen una fuerte adherencia. Con el contenido de urea disminuye gradualmente, las NiCo-LDH crecen gradualmente en la dirección vertical y son perpendiculares al NF. Como se muestra en la Fig. 1c, cuando el contenido de urea se reduce a 0.0075 g, las nanoláminas de NiCo-LDH-1 se entrelazan y distribuyen en la superficie del NF, que forma una estructura tridimensional obvia y estructuras de poros ricas entre las capas. Las morfologías de estas nanoláminas son beneficiosas para aumentar el área de superficie específica del electrodo para proporcionar abundantes sitios reactivos para la reacción [30]. Por lo tanto, puede aumentar significativamente la superficie de contacto con el electrolito para promover la reacción electroquímica y contribuir a una gran capacitancia específica en la reacción electroquímica [31]. La Figura 1e-l son las imágenes AFM para detectar el grosor de las nanohojas de NiCo-LDH. Para las muestras de NiCo-LDH-3, NiCo-LDH-2 y NiCo-LDH-1, los espesores correspondientes son 3,29, 2,52 y 1,62 nm, respectivamente. Se muestra que el grosor de las nanoláminas del material disminuye gradualmente con la disminución del contenido de urea. La estructura ultrafina en NiCo-LDH-1 proporciona buenas condiciones para la formación de la estructura de los poros y acorta la distancia a la transferencia de iones. Sin embargo, la imagen SEM de NiCo-LDH-0 (Fig. 1d) muestra que la muestra preparada sin agregar urea también presenta estructuras en forma de lámina, pero el espesor es de 3.31 nm (Fig. 1h, l), que es más grueso que los de otras muestras preparadas con urea. Implica que las microestructuras y morfologías de NiCo-LDH pueden verse afectadas por el contenido de urea. En el proceso para obtener las muestras que contienen urea, la urea se descompone lentamente en NH ₃ y CO ₂ a alta temperatura y además produce CO ₃ ²⁻ , NH ₄ ⁺ y OH ^- iones por reacción con agua. Bajo la condición de menor contenido de urea, Co ²⁺ y Ni ²⁺ Los iones tienen pocos sitios de contacto con OH ^- , que formará las estructuras de nanoláminas de capa más delgada [32]. Sin embargo, el grabado no ocurre durante el proceso de la muestra preparada sin urea. Como resultado, en comparación con las muestras obtenidas con urea, el grosor de la muestra sin añadir urea se vuelve más grueso.

un - d Imágenes SEM de las muestras: a NiCo-LDH-3, b NiCo-LDH-2, c NiCo-LDH-1, d NiCo-LDH-0; e - h Imágenes AFM de la muestra: e NiCo-LDH-3, f NiCo-LDH-2, g NiCo-LDH-1, h NiCo-LDH-0; yo - l los espesores de las muestras: i NiCo-LDH-3, j NiCo-LDH-2, k NiCo-LDH-1, l NiCo-LDH-0

Los espectros XRD de NiCo-LDH se muestran en la Fig. 2a. Después de compararlo con la tarjeta PDF estándar, todos los materiales se pueden asignar a Ni _0.75 Co _0,25 (CO ₃ ) _0.125 (OH) _{2 0.215} · 0.38H ₂ O (PDF nº 40–0216). Los picos de difracción a 2θ de 11,59 °, 23,14 °, 34,95 °, 39,40 °, 62,44 ° y 65,96 ° corresponden a hidróxidos de níquel-cobalto (003), (006), (012), (015), (113) y ( 116) planos de cristal, respectivamente. La micromorfología detallada de NiCo-LDH-1 se caracteriza además por TEM. Como se muestra en la Fig. 2b-d, NiCo-LDH-1 aparece como capas porosas delgadas y hay muy poca acumulación entre capas. Esto se debe a que el contenido reducido de urea mejora la dispersabilidad del material y reduce el apilamiento lateral entre las capas. La estructura de crecimiento tridimensional hace que la estructura de la hoja del material sea más delgada y tiene poros obvios. La existencia de una estructura porosa de capa delgada puede aumentar en gran medida la inmersión del electrolito en el material del electrodo, reducir la resistencia a la difusión y la distancia de migración de los iones del electrolito [33].

un Patrones de difracción de rayos X de las muestras; b - d Imágenes TEM de NiCo-LDH-1

La Figura 3 muestra el análisis XPS del NiCo-LDH-1. Para el espectro de Ni 2p XPS en la Fig. 3a, se observan dos picos principales alrededor de 873.1 y 855.5 eV correspondientes a Ni 2p _1/2 y Ni 2p _3/2 , respectivamente. Los picos con energía de enlace a 874,4 y 856,5 eV se atribuyen a Ni ³⁺ , mientras que los picos de ajuste a 873,1 y 855,3 eV corresponden a Ni ²⁺ [34, 35]. Mientras tanto, los picos en 872.1 y 854.2 eV implican la presencia de Ni ⁰ que se atribuyen a NF y otros dos picos en 878,8 y 861,2 eV pueden asignarse a picos de satélite. De manera similar, la Fig. 3b muestra el espectro XPS ajustado de Co 2p, y dos picos principales ubicados en 796.1 y 780.8 eV están indexados a Co 2p _1/2 y Co 2p _3/2 , respectivamente. Los dobletes en 796,9 y 781,5 eV concuerdan con Co ²⁺ , mientras que los otros dobletes en 795.5 y 780.1 eV son consistentes con Co ³⁺ [35, 36]. Los picos de satélite correspondientes están en 784,9 y 803,7 eV. El espectro de O 1 s se muestra en la figura 3c, en la que los picos centrados en 529,6, 531 y 532,5 eV deben asignarse al oxígeno enlazado con metal (O1), el oxígeno defectuoso (O2) con baja coordinación y el oxígeno en agua (O3) que está unida física y químicamente sobre y dentro de la superficie, respectivamente [35]. Estos resultados muestran que el NiCo-LDH-1 tiene una rica distribución de estados de valencia, lo que es beneficioso para la mejora del rendimiento electroquímico.

Espectros de fotoelectrones de rayos X de a Ni 2p, b Co 2p y c O 1 s de NiCo-LDH-1

Los diagramas de mapeo EDS de NiCo-LDH-1 se muestran en la Fig. 4a – d. Se puede ver en las figuras que los elementos de Ni, Co y O están distribuidos uniformemente sobre el material, lo que está de acuerdo con los resultados de XPS.

un SEM de NiCo-LDH-1; Diagramas de mapeo de elementos EDS de b Ni, c Co y d O en NiCo-LDH-1

Para probar las prestaciones electroquímicas de NiCo-LDH, las pruebas de estabilidad de ciclo, EIS y CV, GCD se llevan a cabo en un sistema de prueba típico de tres electrodos. La Figura 5a muestra las curvas de voltamperometría cíclica de NiCo-LDH-1 a diferentes velocidades de exploración. Se puede ver que se observan picos de oxidación y picos de reducción obvios para todas las muestras, y las áreas para picos anódicos y catódicos a una velocidad de exploración fija son básicamente las mismas, lo que indica que el material del electrodo tiene una excelente reversibilidad. Las reacciones redox se pueden expresar como:

un Curvas CV de NiCo-LDH-1 a diferentes velocidades de exploración; b Curvas CV de muestras a una velocidad de barrido de 5 mV s ⁻¹ ; c Curvas GCD de NiCo-LDH-1 a diferentes densidades de corriente; d Curvas GCD de muestras a 1 A g ⁻¹ ; e diagrama de estabilidad cíclica de NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 y NiCo-LDH-0 a 10 A g ⁻¹ ; f Gráficos de Nyquist de NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 y NiCo-LDH-0

$$ \ begin {array} {c} {Ni \ left (OH \ right)} _ {2} + {OH} ^ {-} \ leftrightarrow NiOOH + {H} _ {2} O + {e} ^ {-} \ end {matriz} $$ (5) $$ \ begin {matriz} {c} {Co \ left (OH \ right)} _ {2} + {OH} ^ {-} \ leftrightarrow CoOOH + {H} _ { 2} O + {e} ^ {-} \ end {matriz} $$ (6) $$ \ begin {matriz} {c} COOOH + {OH} ^ {-} \ leftrightarrow Co {O} _ {2} + { H} _ {2} O + {e} ^ {-} \ end {matriz} $$ (7)

La figura 5b presenta las curvas de voltamperometría cíclica de NiCo-LDH a una velocidad de barrido de 5 mV s ⁻¹ . Se puede ver que las corrientes pico de oxidación y reducción del NiCo-LDH-1 son significativamente más altas que las del NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 y NiCo-LDH-0, y el área encerrada por el ancho de pico y las intensidades de corriente de pico de NiCo-LDH aumentan secuencialmente. Según la literatura anterior [37], el área encerrada por la curva puede reflejar la contribución del material a la capacitancia. Cuanto mayor sea el área integral encerrada bajo la misma velocidad de exploración y ventana de voltaje, mejor será el rendimiento de capacitancia del material, por lo que el NiCo-LDH-1 regulado al disminuir el contenido de urea mejora el rendimiento de capacitancia. Además, se puede observar a partir de las curvas CV de NF a 5 mV s ⁻¹ que el área de las curvas CV para NF es insignificante en comparación con otras muestras, lo que indica que la contribución de capacitancia de NF es insignificante.

La carga galvanostática y las curvas de descarga de NiCo-LDH-1 a diferentes densidades de corriente se muestran en la Fig. 5c. Obviamente, NiCo-LDH-1 tiene una capacitancia específica ultra alta de 4166 (1667 C g ⁻¹ ) y 3982,5 F g ⁻¹ (1593 C g ⁻¹ ) a una densidad de corriente de 0,5 y 1 A g ⁻¹ , respectivamente. A la fuerte densidad de corriente de 10 A g ⁻¹ , la capacitancia específica de 2550 F g ⁻¹ (1020 C g ⁻¹ ) aún se puede conservar. Al comparar con los resultados de la literatura como se muestra en la Tabla 1, nuestro trabajo es más ventajoso.

La Figura 5d es la carga galvanostática y las curvas de descarga de NiCo-LDH bajo la misma densidad de corriente y ventana de voltaje. Se puede observar que cuando el contenido de urea disminuye, los tiempos de carga y descarga de NiCo-LDH se alargan sucesivamente. La capacitancia específica cambia de 2405 F g ⁻¹ (962 C g ⁻¹ ) para NiCo-LDH-3 a 3052.5 F g ⁻¹ (1221 C g ⁻¹ ) para el NiCo-LDH-2 y finalmente aumenta a 3982.5 F g ⁻¹ (1593 C g ⁻¹ ) para NiCo-LDH-1. Ilustra que el cambio del contenido de urea tiene una influencia importante en la reacción redox de los materiales. La razón es que con un alto contenido de urea, las NiCo-LDHs crecen principalmente en la dirección paralela a la superficie NF lateralmente, y las capas se apilan juntas, lo que aumenta el espesor holístico de las capas, de modo que el electrolito no puede penetrar bien y redox. las reacciones que dan como resultado la pseudocapacitancia solo pueden llevarse a cabo en la superficie o cerca de ella. La disminución del contenido de urea mejora la dispersabilidad del material. Las NiCo-LDH eliminan gradualmente el estado apilado entre las capas. La estructura de crecimiento tridimensional hace que las estructuras de capas del material sean más delgadas y los poros obvios. Esto proporciona sitios más activos para la reacción y reduce la resistencia a la difusión y la distancia de migración de los iones de electrolito, lo que conduce a la transmisión y difusión de iones, mejorando así en gran medida el rendimiento de pseudocapacitancia del material [36, 44]. Según la curva GCD de NiCo-LDH-0, la capacitancia específica de la muestra es 1232.5 F g ⁻¹ (493 C g ⁻¹ ) a una densidad de corriente de 1 A g ⁻¹ que es inferior a los de las muestras obtenidas con urea. Confirma además que el cambio de estructura, incluida la morfología y el grosor causado por la introducción de urea, tiene un efecto de promoción positivo sobre las propiedades electroquímicas de las NiCo-LDH.

La Figura 5e muestra la estabilidad del ciclo de las NiCo-LDH. Bajo la densidad de corriente de 10 A g ⁻¹ , la tasa de retención de capacitancia de NiCo-LDH-1 es superior al 93,6% después de 1000 ciclos, superior al 88,9% y 83% para NiCo-LDH-2 y NiCo-LDH-3, respectivamente. Sin embargo, la tasa de retención de capacitancia del NiCo-LDH-0 es solo del 54,9%. Indica que el contenido de urea adecuado puede mejorar eficazmente la estabilidad de los materiales de los electrodos. Además, durante los ciclos de 100 a 500, la retención de capacitancia del NiCo-LDH-1 es superior al 100%, lo que sugiere que la estructura de la capa vertical más delgada durante este proceso de ciclo puede hacer que el electrolito se difunda suficientemente hacia la superficie cercana de la sustancia activa. para apoyar el proceso de reacción redox. La Figura 5f es el resultado de la prueba EIS para NiCo-LDH. Los gráficos de Nyquist se componen de dos partes:región de alta frecuencia y región de baja frecuencia, correspondientes a un semicírculo y una sección de línea, respectivamente. El diámetro del semicírculo en la región de alta frecuencia refleja la resistencia a la transferencia de electrones. Cuanto menor sea el diámetro del semicírculo, menor será la resistencia a la transferencia de electrones. La pendiente de la línea representa la capacidad de difusión de los iones electrolitos en la superficie del material. Cuanto mayor sea la pendiente, mayor será la capacidad de difusión [45]. Para las muestras de NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 y NiCo-LDH-3, cuando el contenido de urea disminuye gradualmente, la resistencia de transferencia y la distancia de migración de los electrones disminuyen para los electrodos correspondientes, la tasa de transmisión de iones al La superficie del electrodo aumenta y la conductividad del material mejora gradualmente. Sin embargo, para la muestra de NiCo-LDH-0, aunque la resistencia a la transferencia de electrones es relativamente pequeña, la velocidad de transmisión de iones es demasiado lenta para igualar la capacidad de transmisión electrónica, lo que conduce a un rendimiento electroquímico deficiente.

El excelente rendimiento electroquímico de NiCo-LDH-1 como electrodo positivo se confirma aún más mediante la fabricación de un supercondensador asimétrico de dos electrodos con las esferas de carbono como electrodo negativo. La figura 6a son las curvas CV de la esfera de carbono y los electrodos de NiCo-LDH-1 a 10 mV s ⁻¹ . La esfera de carbono y los electrodos de NiCo-LDH-1 con la ventana de potencial de -1 ~ 0 y 0 ~ 0.5 V se pueden ensamblar en un dispositivo estabilizador con el voltaje extendido de 1.5 V de manera efectiva, como se muestra en las curvas CV a 10 mV s ⁻¹ del dispositivo en la Fig. 6b.

Rendimiento electroquímico del supercondensador asimétrico NiCo-LDH-1 / esfera de carbono: a Curvas CV a una velocidad de exploración de 10 mV s ⁻¹ ; b Curvas CV bajo diferentes velocidades de escaneo; c Curvas GCD a diferentes densidades de corriente; y d estabilidad cíclica bajo la densidad de corriente de 10 A g ⁻¹

Después de comparar las Fig. 6a, b, hay dos distinciones principales observadas marcadamente entre ellas en la ventana potencial y la forma de la curva CV. Las causas de estas diferencias se encuentran en los siguientes aspectos:1) En relación con el electrodo de referencia de calomelanos saturado, la ventana de voltaje del electrodo de esferas de carbono y NiCo-LDH-1 individual es 0 ~ 0,4 y -1 ~ 0 V en un electrodo de tres- sistema de electrodos, respectivamente. Sin embargo, después de que usamos NiCo-LDH-1 como electrodo positivo para fabricar supercondensador asimétrico de dos electrodos con las esferas de carbono como electrodo negativo, la ventana de voltaje del dispositivo es relativa al electrodo negativo (es decir, esferas de carbono con el rango de potencial de -1 ~ 0 V). Por lo tanto, después de equilibrar las cargas, el dispositivo ensamblado por dos electrodos con procesos opuestos podría funcionar bajo la ventana de potencial de 0 ~ 1.4 V [46]. 2) Como se muestra en la Fig. 6b, las curvas CV del supercondensador asimétrico muestran un par de picos distintos bajo las diferentes velocidades de barrido, lo que confirma las características típicas de pseudocapacitancia Faradaica aportadas por NiCo-LDH-1 [47]. Además, una curva CV casi rectangular más clara, así como un proceso aproximadamente lineal de carga y descarga en la Fig.6b, c para el supercondensador asimétrico en comparación con el de NiCo-LDH-1, confirma aún más la capacidad de respuesta de capacitancia mejorada debido a la potencia eléctrica. Efecto de capacitancia de doble capa generado por las esferas de carbono. Por tanto, el supercondensador asimétrico fabricado exhibe una variación de la apariencia de la curva CV en relación con el electrodo de esferas de carbono y NiCo-LDH-1 único. Esto resulta de la unificación de las superioridades de dos materiales de electrodos con diversos mecanismos de almacenamiento de carga. Con esta ventaja, se puede mejorar el voltaje del dispositivo, contribuyendo así a la promoción en potencia y densidades de energía [48].

Las curvas de GCD a diferentes densidades de corriente se muestran en la Fig.6c con el rango de voltaje de 0 ~ 1.4 V. De acuerdo con los cálculos, las capacitancias específicas del supercondensador asimétrico son 95 (132.9) y 57 F g ⁻¹ (79,75 C g ⁻¹ ) bajo las densidades de corriente de 1 y 5 A g ⁻¹ , respectivamente. La densidad de energía máxima es de 25,9 W h kg ⁻¹ a la densidad de potencia de 701,6 W kg ⁻¹ . Mientras tanto, la curva de baja frecuencia del EIS que se muestra en el recuadro de la Fig. 6d es casi vertical, lo que indica que los iones de electrolito tienen una excelente capacidad de transporte entre los electrodos positivos y negativos [49]. La estabilidad cíclica del dispositivo también se evalúa mediante pruebas repetidas de carga y descarga a 10 A g ⁻¹ . Como se muestra en la Fig. 6d, la retención de capacitancia es superior al 78% después de 1000 ciclos.

Conclusiones

Se utiliza un método hidrotermal de un solo paso simple y eficaz para sintetizar diversas NiCo-LDH. Las nanoestructuras de las NiCo-LDH se pueden ajustar optimizando el contenido de urea, mejorando así su rendimiento electroquímico como materiales de electrodo. Las consecuencias de las características estructurales muestran que con la disminución del contenido de urea, las nanohojas de NiCo-LDH-1 exhiben una dispersión bien mejorada y forman una estructura porosa delgada con un grosor de solo 1.62 nm, lo que crea sitios más activos para la reacción redox, mejora la la afinidad entre el electrolito y el material del electrodo, acorta la ruta de difusión de iones y mejora la capacidad de transferencia de electrones. El NiCo-LDH-1 muestra una excelente capacitancia específica de 3982.5 F g ⁻¹ a una densidad de corriente de 1 A g ⁻¹ y por encima del 93,6% de tasa de retención de capacitancia durante 1000 ciclos bajo la alta densidad de corriente de 10 A g ⁻¹ . El excelente rendimiento electroquímico de NiCo-LDH-1 se atestigua aún más mediante la fabricación de un supercondensador asimétrico de dos electrodos con esferas de carbono. La capacitancia específica es 95 F g ⁻¹ a 1 A g ⁻¹ , y la retención de capacitancia es superior al 78% en 1000 ciclos. Estos resultados indican que las NiCo-LDH son el material de almacenamiento de energía de próxima generación con grandes perspectivas de aplicación y brindan una gran posibilidad para el desarrollo de supercondensadores de alta energía.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos utilizados y / o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

NiCo-LDH:: Hidróxidos dobles en capas de níquel-cobalto
TMHs:: Transition metal hydroxides
Ni:: Níquel
Co:: Cobalt
NF:: Nickel foam
XRD:: X-ray automatic diffractometer
XPS:: X-ray photoelectron spectrometer
SEM:: Microscopio electrónico de barrido
TEM:: Microscopio electrónico de transmisión
AFM:: Microscopio de fuerza atómica
EDS mapping:: Energy-dispersive X-ray spectroscopy element mapping
CV:: Voltamogramas cíclicos
GCD:: Galvanostatic charge–discharge curves;
EIS:: Electrochemical impedance
ASC:: Asymmetric supercapacitor

Fabricación y caracterización de óxido de grafeno funcionalizado con taurina con 5-fluorouracilo como sistemas de administración de fármacos contra el cáncer Impacto del bi-dopaje en nanohojas de nitruro de boro en las propiedades electrónicas y ópticas mediante el uso de experimentos y cálculos teóricos

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias