Satu Langkah Sintesis Kawat Nano Kobalt Hidroksida Karbonasi Klorin-Doping Mesopori untuk Elektroda Superkapasitor Berkinerja Tinggi

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Co-ClNWs(NiE)

Gambar SEM pada Gambar 1 menunjukkan morfologi Co-ClNW yang disiapkan pada busa nikel. Pada Gambar 1a, kita dapat dengan jelas mengetahui bahwa jaring busa nikel itu sendiri memiliki struktur berlapis ganda. Ligamen elektroda yang dibentuk oleh struktur tiga dimensi dari busa nikel sangat mirip dengan spons, memberikan kerangka kerja alami untuk pertumbuhan material [26]. Ilustrasi menunjukkan bahan tertutup rapat pada busa nikel. Perbesaran gambar disajikan pada Gambar 1b, dari mana kami menemukan bahwa bahan berbentuk jarum terhuyung-huyung, menunjukkan bahwa struktur pertumbuhan tidak menyebabkan kompresi struktur ruang, tetapi membentuk celah ruang tiga dimensi alami. Struktur khas ini dapat memberikan lebih banyak jalur untuk aliran masuk dan reaksi elektrolit, yang bermanfaat untuk bahan elektroda yang kontak dengan baik dengan elektrolit [27]. Pada Gambar 1c, mengamati bahan yang tumbuh di permukaan busa nikel, kami menemukan bahwa bahan seperti bunga yang berkembang saling berhubungan satu sama lain, yang konduktif untuk transpor elektron cepat, sehingga meningkatkan kinerja laju dan mengurangi kehilangan energi. Perbesaran pada Gambar 1d menunjukkan permukaan busa nikel dengan kerangka material melalui pembentukan hidrotermal, dan mereka menunjukkan struktur yang saling terkait dari sambungan yang teratur, yang membentuk jaringan konduktif rajutan yang rapat. Seperti yang kita ketahui, elektroda yang diperoleh dengan metode pelekatan PTFE cenderung menimbulkan masalah seperti pelapisan yang tidak rata dan tidak memiliki struktur spasial alami, yang mudah mengakibatkan pengurangan drastis ruang yang tersedia dan luas permukaan spesifik, mengurangi pemanfaatan bahan eksperimental, dan menyebabkan perbedaan kinerja yang signifikan pada akhirnya [28]. Sehubungan dengan elektroda itu, oleh karena itu, tidak diragukan lagi bahwa struktur Co-ClNWs(NiE) memiliki keuntungan memperpendek jarak transmisi elektron dan ion, sehingga konduktivitas material sangat meningkat, menyediakan tempat tidur yang baik untuk uji elektrokimia [29].

a Struktur berlapis busa nikel (ilustrasi menunjukkan bahan yang menempel pada busa nikel). b Penampilan bahan diamati di bawah perbesaran tinggi. c Morfologi bunga monomer. d Kerangka material terbentuk di permukaan nikel berbusa

Untuk lebih mendalami keunggulan elektroda Co-ClNWs(NiE), dilakukan uji SEM setelah uji elektrokimia selesai. Seperti yang terlihat dari Gambar 2a, busa nikel setelah perlakuan ekstrusi masih hierarkis dan permukaan busa nikel tertutup rapat oleh material. Seperti yang kita ketahui, tonjolan skala mikro/nanometer dibuat pada busa nikel komersial (pengumpul arus), yang dapat meningkatkan situs aktifnya [30]. Area permukaan yang lebih tinggi dari kolektor saat ini berarti lebih banyak area kontak antara kolektor saat ini dan bahan aktif, yang dapat meningkatkan transportasi elektron dan ion selama reaksi elektrokimia. Konduktivitas yang baik dapat memastikan kemampuan laju yang sangat baik untuk kapasitansi di bawah kerapatan arus tinggi, sehingga konduktivitas yang buruk dari bahan senyawa berbasis Co sebagian besar ditingkatkan, dikonfirmasi oleh lebih banyak kawat nano berbentuk jarum yang tertanam di celah busa nikel pada tinggi pembesaran [31]. Pada Gambar 2c, d, gambar yang diperbesar menunjukkan bahwa kawat nano tersusun rapat pada kerangka yang terbentuk pada busa nikel sehingga ruang substrat sepenuhnya digunakan untuk memanfaatkan bahan aktif untuk energi penyimpanan. Ini merupakan keunggulan struktural yang tidak dimiliki oleh Co-ClNWs(E) yang dibuat dengan metode pelekatan PTFE. Metode preparasi elektroda Co-ClNWs(NiE) menawarkan pendekatan yang berguna dan layak yang dapat sepenuhnya merangsang kinerja material.

a Gambar SEM dari elektroda Co-ClNWs(NiE) yang diuji. b Gambar SEM dari bahan yang tertanam di lapisan antar busa nikel. c , d Gambar SEM dari pertumbuhan yang selaras pada kerangka busa nikel di bawah perbesaran tinggi

Gambar TEM kawat nano Co-ClNWs (digores dari produk busa nikel) ditunjukkan pada Gambar. 3. Gambar pada Gambar 3a menunjukkan bahwa bahan yang diekstraksi tetap acicular dengan baik, yang termasuk dalam struktur kristal tunggal seperti yang diungkapkan oleh difraksi elektron (SAED) dari kawat nano yang dipilih pada Gambar. 3b. Kawat nano acicular yang ditunjukkan pada Gambar. 3c tumbuh sekitar beberapa mikron panjangnya dengan diameter sekitar puluhan nanometer, menunjukkan rasio aspek yang besar. Dari tampilan perbesaran tinggi Co-ClNWs pada Gambar. 3d dan Gambar. 3e, ditemukan bahwa permukaan material sejajar erat dengan monomer yang diameternya sekitar 3–10 nm. Difusi ion dalam bahan kristal selalu dianggap sebagai masalah yang kompleks karena ion elektrolit tidak dapat berdifusi ke seluruh bahan jika ketebalan bahan kristal lebih dari 30 nm. Dalam kasus kami, dengan demikian, struktur Co-ClNWs kondusif untuk difusi elektrolit karena ukuran monomer material sekitar 3–10 nm, yang memperpendek jarak difusi elektrolit dan mengurangi panjang dan resistansi jalur reaksi [ 32]. Faktor ini dominan memungkinkan pemanfaatan yang efektif dari semua bahan dalam reaksi redoks Faradaic. Selain itu, pengaturan ini membuat material menampilkan tampilan mesopori yang nyata, yang dapat sangat meningkatkan penyerapan elektrolit ke dalam material karena ion elektrolit tidak dapat memasuki pori ultrafine dengan diameter pori di bawah 2 nm meskipun pori-pori ini dapat sesuai dengan spesifikasi yang lebih tinggi. luas permukaan. Terlihat jelas dari Gambar 3d, ukuran pori material lebih besar dari 2 nm, yang termasuk dalam kategori mesopori dan oleh karena itu konduktif untuk transportasi elektrolit [7]. Seperti yang dapat diamati pada Gambar. 3f, jarak pinggiran kisi dihitung menjadi sekitar 0,508 nm, yang sesuai dengan 17,4° yang diindeks ke puncak XRD di bawah sesuai dengan kartu standar Co(CO₃ )_0,35 Kl_0,20 (OH)_1,10 1.74J₂ O (JDPS38-0547).

a Gambar TEM dari Co-ClNWs. b Pola SEAD Co-ClNWs. c –e Gambar TEM Co-ClNWs pada perbesaran tinggi (menunjukkan struktur mesopori permukaan di (d ), partikel-partikel tersebut tersusun kompak membentuk Co-ClNWs di (e )). f Gambar HRTEM dari Co-ClNWs

Gambar 4a menunjukkan pola XRD material di mana semua puncak sangat cocok dengan kartu standar (JCPDS 38-0547), yang menegaskan bahwa komposisi stoikiometri kawat nano adalah Co(CO₃ )_0,35 Kl_0,20 (OH)_1,10 . Dari spektrum pemindaian XPS pada Gambar. 4b, kami menemukan bahwa kandungan Co, O, Cl, dan C mencakup hampir semua elemen dalam material, yang menunjukkan kemurnian tinggi. Spektroskopi fotoelektron sinar-X inti Co2p (XPS) spektrum (Gbr. 4c) dari Co-ClNWs menyajikan dua puncak utama pada energi ikat 780,84 dan 797,04 eV dengan pemisahan energi putaran ca. 16 eV. Kedua puncak ini sesuai dengan Co2p_3/2 dan Co2p_1/2 masing-masing dan disertai oleh dua puncak satelit yang jelas. Keadaan ionik klorin juga dapat disimpulkan dengan adanya spin-orbit ganda pada 199,60 dan 198,10 eV yang dapat diidentifikasi sebagai Cl2p_1/2 dan Cl2p_3/2 masing-masing sinyal (Gbr. 4d).

a Pola XRD, b Spektrum survei XPS, c resolusi tinggi spektrum Co 2p, d spektrum Cl 2p resolusi tinggi, e Spektrum Raman, dan f Distribusi ukuran pori QSDFT (inset:isoterm absorpsi/desorpsi N2) dari Co-ClNWs

Untuk mendapatkan lebih lanjut konstitusi Co-ClNWs(NiE) yang disintesis, spektrum Raman diilustrasikan dalam rentang bilangan gelombang dari 0 hingga 2000 cm ⁻¹ dan ditunjukkan pada Gambar. 4e. Empat pita Raman untuk Co-ClNWs(NiE) diamati pada sekitar 95, 813, 1045, dan 1554 cm ⁻¹ dapat ditetapkan ke mode pembengkokan untuk Cl-Co-Cl, mode deformasi Co-O-H, mode deformasi -OH, dan ν₃ (CO₃ ) ²⁻ mode peregangan antisimetris, masing-masing, menunjukkan bahwa komponen utama sesuai dengan tes di atas [33,34,35]. Gambar sisipan pada Gambar. 4f menunjukkan N₂ isoterm adsorpsi/desorpsi Co-ClNWs(NiE), di mana isoterm tipe IV ditambah dengan loop histeresis karakter H3 yang jelas dapat diamati, menunjukkan adanya distribusi meso- dan makropori yang melimpah ke Co-ClNWs(NiE), di konsisten dengan hasil TEM dan distribusi ukuran pori pada Gambar 4f. Struktur berpori ini dalam hal meso- dan makropori yang saling berhubungan bersifat konduktif untuk menyediakan saluran kontinu untuk difusi ion yang cepat dan tanpa hambatan dan dengan demikian memastikan aksesibilitas ion yang baik di situs aktif. Selain itu, hampir tidak ada mikropori di Co-ClNWs(NiE) karena hampir tidak ada penyerapan volume N2 di bawah ukuran pori antara 0 dan 2 nm, yang bertanggung jawab atas luas permukaan spesifik yang rendah (sekitar 5 m ² /g) tetapi untuk kristalinitas tinggi dengan situs aktif kaya yang dikonfirmasi oleh XRD di atas.

Kinerja Elektrokimia Elektroda Co-ClNWs(E)

Perilaku elektrokimia Co-ClNWs(E) diselidiki oleh CV dan GCD dalam sel tiga elektroda dengan elektroda referensi Hg/HgO menggunakan 6 M KOH sebagai elektrolit berair. Gambar 5a sesuai dengan kurva CV yang diperoleh untuk Co-ClNWs(E) pada kecepatan sapuan 2, 5, 10, dan 20 mv/s, di mana semua kurva CV penuh dan mewujudkan puncak redoks simetris. Dengan peningkatan laju pemindaian, posisi puncak kurva bergeser, menunjukkan bahwa kinerja kapasitansi berasal dari reaksi bahan aktivitas, dan jaringan busa nikel tidak terlibat dalam reaksi kimia yang relevan. Kurva pengisian dan pengosongan Co-ClNWs(E) pada kerapatan arus yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 5b, dengan karakteristik khas yang sesuai dengan kurva CV. Kapasitansi spesifik bahan elektroda mencapai 975, 950, 900, 825, dan 640 F/g di bawah kerapatan arus masing-masing 1, 2, 3, 5, dan 8 A/g. Meskipun sifat kapasitifnya lebih baik, ada perbedaan signifikan yang jelas dibandingkan dengan Co-ClNWs (NiE), yang terlihat dari Gambar 5c. Gambar 5d menunjukkan spektrum EIS dari elektroda Co-ClNWs(E), dan dapat diperoleh bahwa hambatan Faradaik yang dipantulkan oleh diameter setengah lingkaran adalah sekitar 2 Ω. Resistensi yang begitu besar pasti akan menyebabkan hambatan elektron yang tinggi selama proses penyimpanan muatan. Pada Gambar 5e, kami melakukan uji siklus CV pada Co-ClNWs(E) dan menemukan bahwa bahan tersebut masih dapat menunjukkan kurva redoks yang baik dan penuh, menunjukkan kemampuan bahan untuk mempertahankan sifat-sifatnya setelah 500 siklus pengujian. Oleh karena itu, setelah menyelidiki perilaku elektrokimia Co-ClNWs(E), kami menemukan bahwa Co-ClNWs memiliki potensi untuk menjadi bahan kapasitif yang sangat baik, dan kinerja yang lebih baik dengan mempromosikan tingkat aplikasi situs aktif akan ditampilkan jika mencari yang mudah dan cara yang efektif untuk meningkatkan konduktivitasnya.

a Kurva CV Co-ClNWs(E) pada berbagai kecepatan pemindaian. b Kurva muatan dan pelepasan galvanostatik Co-ClNWs(NiE) pada berbagai kerapatan arus. c Perbandingan kurva pelepasan dua elektroda. d Spektrum impedansi elektrokimia Co-ClNWs(E). e Perbandingan kurva CV setelah 500 siklus Co-ClNWs(E)

Kinerja Elektrokimia Elektroda Co-ClNWs(NiE)

Untuk menguji optimalisasi elektroda Co-ClNWs(E), kurva CV Co-ClNWs(NiE) diuji dengan konfigurasi tiga elektroda yang sama dan ditunjukkan pada Gambar 6a. Dapat diamati bahwa kurva yang lengkap dan rapi disajikan terlepas dari jenis kecepatan pemindaian dari 2, 5, 10, dan 20 mV/s. Selain itu, setiap kurva melibatkan simetri redoks yang baik, yang sepenuhnya menunjukkan bahwa material memiliki karakteristik pseudokapasitansi yang sangat baik [36]. Seiring dengan peningkatan laju pemindaian, area pemanfaatan material yang efektif berkurang dengan sedikit pergeseran puncak, yang mengakibatkan penurunan kinerja elektrokimia karena resistensi dan polarisasi material elektroda [37, 38]. Pada tingkat pemindaian yang lebih tinggi, kita dapat menyimpulkan bahwa Co-ClNWs(NiE) memiliki kemampuan tingkat tinggi karena puncak redoks dari spesies material masih terlihat jelas. Selain itu, arus meningkat seiring dengan meningkatnya laju pemindaian, yang menegaskan kemampuannya untuk menghantarkan ion dan elektron dengan lebih efisien. Alasan utama puncak redoks terutama disebabkan oleh transfer muatan antara Co ^{2 +} /Co ^{3 +} ion dan OH ⁻ ion dalam elektrolit yang terlibat dalam reaksi [39]. Setelah meninjau literatur [40], puncak redoks sesuai dengan reaksi berikut:

a Kurva CV Co-Cl(NiE) pada berbagai kecepatan pemindaian. b Kurva muatan dan pelepasan galvanostatik Co-ClNWs(NiE) pada 1 A/g (inset:kurva GCD dari busa nikel dengan arus Co-ClNWs(NiE) yang sama pada 1A/g). c Kurva GCD Co-ClNWs(NiE) pada berbagai kerapatan arus. d Performa siklik panjang dan retensi kapasitansi Co-ClNWs(NiE) pada kerapatan arus 8 A/g. e Rata-rata kapasitansi spesifik pada berbagai kerapatan arus luahan. f Spektrum EIS Co-ClNWs(NiE) sebelum dan sesudah uji elektrokimia pada rentang frekuensi dari 100 kHz hingga 10 mHz. g Kurva CV Co-ClNWs(NiE) dan AC pada kecepatan pemindaian 20 mV/s. h Kurva CV perangkat Co-ClNWs(NiE)//AC ASC sebagai fabrikasi pada berbagai tingkat pemindaian dan kurva GCD yang sesuai (i ) dengan kepadatan arus yang berbeda

Gambar 6b ​​menunjukkan kurva GCD material pada rapat arus 1 A/g. Ditemukan bahwa bentuk kurva GCD memiliki dataran tinggi yang jelas, yang membuktikan bahwa material mengalami reaksi redoks yang sesuai dengan kurva CV. Dapat diamati bahwa tegangan turun secara tiba-tiba karena hambatan dalam bahan pada bagian kurva pelepasan [41]. Selain itu, kami juga dapat menyimpulkan dari Gambar 6b ​​dan Gambar 5c bahwa kapasitansi yang ditunjukkan oleh sampel optimal Co-ClNWs(NiE) lebih tinggi dibandingkan dengan penambahan satu Co-ClNWs(E) dan busa nikel, yang menunjukkan bahwa kombinasi Co-ClNWs dan busa nikel oleh pertumbuhan langsung memiliki kontribusi promosi untuk meningkatkan kemampuan penyimpanan muatan elektroda, yang berarti busa nikel tidak hanya dapat memberikan kapasitansi dengan sendirinya tetapi juga dapat bertindak sebagai tulang punggung untuk menjamin kontak listrik dan mekanik yang baik adhesi dan karenanya meningkatkan tingkat pemanfaatan Co-ClNWs, seperti yang terlihat jelas pada gambar SEM pada Gambar. 1 Gambar 6c memberikan kurva GCD pada rapat arus yang berbeda, dengan kapasitansi spesifik 2150 F/g pada rapat arus 1 A /g (lebih tinggi dari banyak karya terbaru yang dipublikasikan di Tabel 1), sesuai dengan kapasitansi spesifik ion 4996 F/g Co, yang menunjukkan kemampuan penyimpanan muatan yang sangat baik untuk Co-ClNWs(NiE) [42]. Selain itu, kinerja laju dan stabilitas jangka panjang elektroda diperoleh lebih lanjut sesuai dengan kapasitansi spesifik elektroda Co-ClNWs(NiE) pada rapat arus yang berbeda dan diberikan pada Gambar 6e. Meskipun kinerja kapasitor menurun, karakteristik daya tinggi masih terlihat. Kapasitas spesifik kapasitor dipertahankan pada 1985, 1872, 1599, dan 944 F/g pada rapat arus masing-masing 2, 3, 5, dan 8 A/g. Kapasitansi pelepasan diuji pada Gambar 6d untuk beberapa siklus guna menguji stabilitas Co-ClNWs(NiE), 94,3% dari kapasitansi spesifik pada siklus awal yang dapat dipertahankan setelah 500 siklus. Namun, dalam pengujian lebih lanjut kami, pemisahan bahan aktif dari elektroda diamati lebih dari 500 siklus, yang mungkin berasal dari perubahan struktur bahan curah yang mengambil bagian dalam reaksi redoks Faradaik, sehingga menghasilkan penghitungan kapasitansi spesifik yang tidak akurat berdasarkan massa Co-ClNWs di bawah kerapatan arus tertentu. Untuk mengungkap masalah yang membingungkan seperti itu, oleh karena itu, pekerjaan berkelanjutan kami akan melibatkan pelacakan reversibilitas strain elektrokimia yang terjadi selama bersepeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6f, spektrum impedansi elektrokimia bahan sebelum (MBT) dan setelah (MAT) pengujian terdiri dari setengah lingkaran di babak pertama dan garis miring di babak kedua. Secara umum diterima bahwa intersep sumbu nyata pada frekuensi tinggi mewakili resistansi elektrolit dan resistansi kontak antara bahan aktif dan kolektor arus [43]. Garis lurus di daerah frekuensi rendah dianggap berasal dari resistensi difusi ion [30]. Terlihat bahwa MBT memiliki nilai intersep sumbu nyata yang lebih kecil pada frekuensi tinggi dibandingkan MAT, yang berarti MBT memiliki hambatan seri ekivalen yang relatif lebih kecil. Selain itu, dapat diamati bahwa garis lurus untuk MBT memiliki kemiringan yang lebih tinggi daripada MAT, yang juga menunjukkan bahwa MBT dapat menampilkan difusi ion yang lebih baik. Kemiringan keduanya di wilayah frekuensi rendah secara bertahap miring ke arah y -sumbu, menunjukkan bahwa ion elektrolit dapat dengan cepat berdifusi ke dalam struktur pori material. Langkah pengendalian laju reaksi dapat ditentukan sesuai dengan reaksi elektrokimia pada permukaan bahan elektroda sehingga bahan elektroda memiliki sifat listrik yang baik.

Untuk mengevaluasi lebih lanjut kemampuan penyimpanan muatan Co-ClNWs (NiE) dalam praktiknya, superkapasitor asimetris (ASC) menggunakan Co-ClNWs (NiE) dan AC masing-masing sebagai elektroda positif dan elektroda negatif dibuat. Gambar 6g mengilustrasikan kurva CV Co-ClNWs(NiE) dan AC yang diukur dalam sistem tiga elektroda dengan jendela potensial AC 1 hingga 0 V dan Co-ClNWs(NiE) dari 0 hingga 0,6 V. diharapkan ASC yang dibuat dapat bekerja hingga 1,6 V. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 jam, kurva CV ASC di bawah tingkat pemindaian yang berbeda menunjukkan sepasang puncak yang jelas, menunjukkan karakteristik faradaik yang khas [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.