Sintesis Kubik Ni(OH)2 Nanocage Melalui Koordinasi Rute Etching dan Pengendapan untuk Superkapasitor Berperforma Tinggi
Abstrak
Desain rasional struktur seperti sangkar adalah metode yang efektif untuk meningkatkan kinerja kapasitif hidroksida logam transisi. Dalam karya ini, nanocage Ni(OH)2 kubik (Ni(OH)2 NCs) dibangun melalui rute koordinasi etsa dan pengendapan (CEP). Ni(OH)2 NCs memiliki situs aktif yang melimpah, saluran difusi yang cukup, dan laju transfer elektron yang dipercepat, yang bermanfaat untuk kinetika elektrokimia. Sebagai elektroda positif untuk superkapasitor, elektroda Ni(OH)2 NCs/Ni foam (NF) menyajikan kapasitansi spesifik yang tinggi sebesar 539,8 F g
−1
di 1 A g
−1
, yang jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 NCs/NF (Ni(OH)2 BNCs/NF yang rusak, 87.3 F g
−1
di 1 A g
−1
). Selain itu, elektroda Ni(OH)2 NCs/NF masih mempertahankan 96,9% dari kapasitansi spesifik awalnya setelah 2000 siklus. Perangkat superkapasitor (ASC) asimetris dirakit menggunakan Ni(OH)2 NCs/NF dan karbon aktif (AC)/NF masing-masing sebagai elektroda positif dan negatif. ASC menunjukkan kepadatan energi yang lebih tinggi sebesar 23,3 Wh kg
−1
dengan kepadatan daya 800 W kg
−1
dibandingkan dengan Ni(OH)2 BNCs/NF (3 Wh kg
−1
pada 880 W kg
−1
). Hasil ini menunjukkan bahwa elektroda Ni(OH)2 NCs/NF menyajikan aplikasi potensial di bidang penyimpanan energi. Desain struktur seperti sangkar membuka cara yang efektif untuk mencapai material elektroda berperforma tinggi.
Latar Belakang
Untuk mengatasi tantangan pencemaran lingkungan dan krisis energi, ada tuntutan yang signifikan untuk mengembangkan perangkat penyimpanan energi yang aman, terbarukan, bersih, dan berkinerja tinggi sebagai alternatif bahan bakar fosil [1, 2]. Superkapasitor memiliki karakteristik yang sangat baik untuk memenuhi masalah ini, seperti kemampuan daya tinggi (10-20 kali lipat dari baterai), kinerja tingkat tinggi, waktu pengisian singkat, dan sifat ramah lingkungan [3, 4]. Kapasitor lapis ganda listrik (EDLC) dan pseudokapasitor (PC) adalah dua jenis superkapasitor yang umum diteliti. Di dalamnya, PC yang diatur oleh redoks pada/dekat permukaan elektroda oksida logam transisi/hidroksida selalu memiliki kerapatan energi yang lebih tinggi daripada EDLC dan telah menjadi isu panas di bidang ini [5,6,7,8,9,10]. Sebagai hidroksida logam transisi yang khas, Ni(OH)2 dilaporkan sebagai bahan elektroda berkinerja tinggi untuk PC karena pasangan redoks Ni
3+
/Ni
2+
dalam media alkali [11, 12]. Namun demikian, kapasitansi spesifik yang diperoleh dari Ni(OH)2 selalu jauh lebih rendah dari nilai teoritis karena pemanfaatan bahan elektroda yang tidak mencukupi.
Terinspirasi oleh kinetika, kinerja kapasitif bahan elektroda dapat dimediasi melalui desain mikrostruktur dan morfologi. Upaya luar biasa telah dicurahkan untuk sintesis Ni(OH)2 bahan elektroda dengan mikro yang unik untuk mencapai kinerja penyimpanan efisiensi tinggi [13, 14]. Di dalamnya, membangun struktur berpori berongga seperti sangkar dianggap sebagai metode yang efektif untuk mendapatkan elektroda berkinerja tinggi. Secara khusus, struktur seperti sangkar dapat memanfaatkan sepenuhnya area permukaan dalam dan luar dan menyediakan situs redoks-aktif yang cukup, yang mengarah pada peningkatan kapasitansi spesifik. Selain itu, cangkang berpori memberikan sejumlah jalur difusi untuk elektrolit, yang bermanfaat bagi reversibilitas elektroda, menghasilkan stabilitas siklus yang sangat baik dan kinerja tingkat tinggi. Mengenai kinetika transfer elektron, cangkang tipis berukuran nano menyempurnakan rute transfer elektron dan mempercepat laju transfer elektron [15, 16]. Dengan demikian, kinerja kapasitif Ni(OH)2 . yang lebih tinggi dapat diperoleh melalui desain arsitektur berpori berongga seperti sangkar.
Proses kimia templated adalah metode yang umum digunakan untuk mempersiapkan arsitektur seperti kandang [17, 18]. Produk akhir dapat secara akurat menduplikasi bentuk geometris dari template dan mempertahankan morfologi yang terdefinisi dengan baik dengan distribusi ukuran yang sempit [19, 20]. Dalam karya ini, Ni(OH)2 NCs dibuat menggunakan kubik Cu2 O kristal sebagai template korban melalui tiosulfat melibatkan prinsip koordinasi etsa dan pengendapan (CEP). Ni(OH)2 . yang disintesis NCs/NF digunakan sebagai elektroda positif untuk superkapasitor dan Ni(OH)2 BNCs/NF diperkenalkan sebagai sampel kontras untuk mengonfirmasi keunggulan struktural arsitektur seperti sangkar. Ni(OH)2 NCs/NF menampilkan kapasitansi spesifik yang tinggi sebesar 539,8 F g
−1
di 1 A g
−1
, yang jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 BNCs/NF (87,3 F g
−1
di 1 A g
−1
). Perangkat superkapasitor (ASC) asimetris menghadirkan kepadatan energi tinggi sebesar 23,3 Wh kg
−1
pada 800 W kg
−1
, dan nilai ini jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 BNCs/NF//AC (3 Wh kg
−1
pada 880 W kg
−1
). Hasilnya menunjukkan bahwa Ni(OH)2 Elektroda NCs/NF menunjukkan prospek yang menarik dalam superkapasitor. Cara merancang arsitektur berpori berongga seperti sangkar juga bermakna di bidang lain, seperti sensor dan katalis.
Metode/Eksperimental
Persiapan Cu2 O Template
Kubik Cu2 Kristal O disintesis menurut laporan kami sebelumnya [21]. Lima puluh mililiter larutan NaOH (2 M) ditambahkan ke dalam CuCl yang telah diaduk2 ·2H2 O (500 ml, 0,01 M) dalam 3 min pada 55 °C. Setelah diaduk selama 30 min, 50 mL 0,6 M larutan asam askorbat ditambahkan tetes demi tetes. Sampel akhir disentrifugasi setelah 3 h dan dikeringkan dalam ruang hampa.
Sintesis Ni(OH)2 NC
400 mg Cu2 O template dan dosis NiCl yang berbeda2 kekuatan dituangkan ke dalam gelas 1000-mL yang berisi 400 mL campuran air dan alkohol (rasio volume = 1:1). Perbandingan massa Cu2 O template dan NiCl2 kekuatan dikontrol sebagai 5:1, 2.5:1, 1.67:1, dan 1.25:1 (sesuai NiCl2 dosis adalah 80 mg, 160 mg, 240 mg, dan 320 mg, masing-masing). Setelah perawatan ultrasonik selama 10 menit, 13,2 mg polivinil pirolidon (PVP) didispersikan ke dalam larutan sambil diaduk. Setelah 30 menit, 160 mL 1 M Na2 S2 O3 ditambahkan tetes demi tetes ke dalam larutan pada suhu kamar. Setelah 3 h, produk akhir dikumpulkan dengan sentrifugasi dan dikeringkan dalam oven. Ni(OH)2 BNC diperoleh melalui perlakuan ultrasonik Ni(OH)2 NCs untuk 2 h dalam alkohol (File tambahan 1:Gambar S1).
Karakterisasi Material
Struktur dan komposisi kimia produk dianalisis dengan difraksi serbuk sinar-X (XRD, Rigaku D/Max-2400) menggunakan radiasi Cu Kα dan spektroskopi fotoelektron sinar-X ESCALAB 250Xi (XPS, USA). Morfologi produk diselidiki pada mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan Zeiss Gemini 300 (FESEM). Pengamatan mikroskop elektron transmisi (TEM) dilakukan pada perangkat FEI F20. Luas permukaan spesifik dan fitur berpori diukur pada instrumen Belsort-max.
Pengukuran Elektrokimia
Semua pengukuran elektrokimia dilakukan pada III Autolab workstation di 3 M KOH dengan Pt foil (1 cm × 1 cm) dan Ag/AgCl (KCl jenuh) sebagai elektroda counter dan referensi, masing-masing. Elektroda kerja dibuat dengan prosedur berikut:pertama, bahan elektroda (Ni(OH)2 NCs diperoleh pada waktu reaksi yang berbeda dan Ni(OH)2 BNCs), asetilena hitam, dan polytetrafluoro ethylene (5% PTFE) dicampur bersama dengan rasio massa 80:15:5 dalam etanol. Kemudian campuran tersebut dilapiskan pada NF (1 cm × 1 cm) dan dikeringkan dalam oven. Massa pemuatan dihitung sebagai 3,4 mg/cm
2
. Kinerja elektrokimia diperiksa dengan voltametri siklik (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD), dan impedansi elektrokimia (EIS). Tes EIS dilakukan antara 0,01 dan 100 kHz dengan amplitudo gangguan 5 mV. Kapasitansi spesifik elektroda dihitung menurut persamaan berikut:
$$ C=\frac{I\varDelta t}{m\varDelta V} $$ (1)
dimana Aku adalah arus pelepasan (A), t adalah waktu debit (s), V adalah jendela potensial (V), m adalah massa total (g) bahan elektroda. ASC dibuat dengan Ni(OH)2 NCs (atau Ni(OH)2 BNCs)) dan AC sebagai elektroda positif dan negatif, masing-masing. Elektroda AC dibuat dengan melapisi campuran pengikat AC dan PTFE (90:10) pada NF (1 cm × 1 cm). Kemudian kedua elektroda tersebut dirangkai menjadi satu dengan separator dalam KOH 3 M.
Hasil dan Diskusi
Karakterisasi
Pola XRD dari Ni(OH)2 . yang disiapkan NCs tercatat pada Gambar. 1a. Tiga puncak kuat yang diamati terletak di 33,1°, 38,5°, dan 60,2° sesuai dengan (100), (101), dan (003) bidang kristal heksagonal β -Ni(OH)2 (JCPDS no. 14-0117) [22]. Pengukuran XPS dilakukan untuk mengkonfirmasi komposisi kimia. Sinyal Ni, O, dan C terlihat jelas dalam spektrum survei, menunjukkan bahwa sampel sebagian besar terdiri dari Ni dan O. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1c, sinyal terkonsentrasi terletak pada 873.7 eV dan 856.1 eV dengan pemisahan 17,6 eV dapat dikaitkan dengan Ni 2p1/2 dan Ni 2p3/2 dari Ni
2+, masing-masing [23, 24]. Puncak yang terletak di 879.9 eV dan 861.7 eV adalah sinyal satelit yang sesuai untuk Ni 2p1/2 dan Ni 2p3/2, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1d, puncak O1s yang terletak di 531.2 eV menyajikan fitur khas ikatan Ni-O-Ni di Ni(OH)2 [25, 26]. Berdasarkan diskusi di atas, produk yang disiapkan dapat dideduksi menjadi Ni(OH)2 fase.
a Pola XRD dari Ni(OH)2 . yang disiapkan NC. b –d Spektrum XPS dari Ni(OH)2 NC. b Survei. c Ni 2p. d O 1s
Pengamatan SEM dan TEM digunakan untuk mengkonfirmasi lebih lanjut fitur morfologi produk. File tambahan 1:Gambar S2a menampilkan pola XRD dari Cu2 . yang telah disiapkan O. Semua puncak difraksi dapat diindeks ke JCPDS no. 78-2076, mengonfirmasi keberhasilan persiapan Cu2 Gambar O. SEM dari Cu2 O template dalam file tambahan 1:Gambar S2b mengungkapkan fitur kubik produk dengan panjang tepi sekitar 500 nm. Seperti terlihat pada Gambar. 2a, Ni(OH)2 sampel mempertahankan morfologi kubik yang terdefinisi dengan baik setelah proses CEP. Ni(OH)2 kubus memiliki panjang rusuk 500 nm (Gbr. 2b), yang kurang lebih sama dengan Cu2 O template. Seperti dapat dilihat dari sisipan Gambar 2b, permukaan Ni(OH)2 kubus terdiri dari jumlah partikel halus dan menyajikan karakteristik berpori. Gambar TEM pada Gambar. 2c menunjukkan rongga internal yang jelas, memperlihatkan fitur Ni(OH) yang seperti sangkar2 produk. Seperti yang ditampilkan pada Gambar. 2d, panjang tepi 500 nm, yang konsisten dengan pengamatan SEM. Selain itu, ketebalan cangkang Ni(OH)2 NCs diidentifikasi sebagai 50 nm (Gbr. 2d). Penyelidikan SEM dan TEM menunjukkan fitur produk seperti kandang. Struktur berpori berongga seperti sangkar menyediakan area permukaan yang besar dan sejumlah jalur difusi, yang dapat mendukung proses transportasi massal, yang menghasilkan kinerja kapasitif yang luar biasa.
a , b SEM dan c , d Gambar TEM dari Ni(OH)2 NC
Foto optik dan gambar TEM Ni(OH)2 NCs direkam pada waktu reaksi yang berbeda untuk mewujudkan mekanisme pembentukan. Seperti yang ditampilkan pada Gambar. 3a, larutan reaksi menunjukkan warna merah bata pada 5 menit, menunjukkan bahwa reaksi kecil terjadi pada tahap awal. Setelah itu, warna larutan secara bertahap menjadi lebih terang. Setelah 3 h, warna larutan berubah menjadi hijau muda, yang merupakan warna produk akhir. Seperti diilustrasikan pada Gambar. 3b, produk menunjukkan rongga internal sebagian berongga karena pelarutan Cu2 O template pada 5 min. Selain itu, etsa internal Cu2 O lebih disukai terjadi di sudut karena kinetika difusi yang memadai. Cu2 internal internal Kristal O larut terus menerus sampai benar-benar hilang pada 3 h. Diagram skematik diilustrasikan pada Skema 1. Secara umum, mekanisme pembentukan Ni(OH)2 NC ditunjukkan di bawah ini (Persamaan (2)):
a Foto-foto optik dari sistem reaksi pada waktu reaksi yang berbeda. b Gambar TEM dari produk yang diperoleh pada waktu reaksi yang berbeda
Diagram skema untuk proses pembentukan
Ni
2+
ion dalam Persamaan. (2) adalah Ni
2+
. yang diserap pada permukaan Cu2 O kristal (Langkah 1). OH
−
ion dalam Persamaan. (2) dilepaskan dari korosi Cu2 Kristal O (Persamaan (3)) dan hidrolisis S2 O3
2-
(Persamaan (4)).
Persamaan (3) dan (4) adalah mekanisme untuk S2 O3
2−
melibatkan proses CEP, yang terjadi pada Langkah 2 dan 3. Proses kinetika detail mirip dengan pembentukan Co(OH)2 NCs dalam artikel kami yang diterbitkan [27]. Pengangkutan S2 O3
2−
menuju Cu2 O menentukan laju korosi dan OH yang dilepaskan
−
ion dari interior menyajikan laju pertumbuhan Ni(OH)2 NC. Kontrol kooperatif dari kedua proses menghasilkan pembentukan Ni(OH)2 . yang terdefinisi dengan baik NC.
Gambar 4 menunjukkan N2 kurva isoterm adsorpsi-desorpsi Ni(OH)2 NCs dan Ni(OH)2 BNC. Luas permukaan BET Ni(OH)2 NC adalah 54,7 m
2
/g, yang jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 BNC (38,1 m
2
/G). Hasilnya menunjukkan bahwa arsitektur berpori berongga menghasilkan Ni(OH)2 NCs dengan luas permukaan spesifik yang lebih besar. Distribusi ukuran pori (sisipan a dan b) menunjukkan struktur mesopori Ni(OH)2 NCs dan Ni(OH)2 BNC. Volume pori Ni(OH)2 NC dihitung sebagai 0,25 cm
3
/g, yang lebih besar dari Ni(OH)2 BNC (0,19 cm
3
/G). Selanjutnya, distribusi pori terkonsentrasi antara 2,7 dan 6,1 nm diselidiki untuk Ni(OH)2 NCs, yang terkait dengan interspace antara nanopartikel. Namun, tidak ada distribusi pori terkonsentrasi yang jelas diamati untuk Ni(OH)2 BNC, mengungkapkan penghancuran saluran difusi yang dipesan. Area permukaan yang besar dan saluran difusi yang teratur bermanfaat untuk kinetika elektrokimia, menghasilkan kinerja kapasitif yang sangat baik.
Pengukuran BET a Ni(OH)2 NCs dan (b) Ni(OH)2 BNC. Sisipan a dan b adalah distribusi ukuran pori yang sesuai dari Ni(OH)2 NCs dan Ni(OH)2 masing-masing BNC
Kinerja Elektrokimia Ni(OH)2 NC
Untuk mendapatkan sifat kapasitif terbaik, Ni(OH)2 NCs dengan ketebalan cangkang yang berbeda disiapkan dengan mengontrol dosis NiCl2 bubuk. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5, ketebalan cangkang tampaknya meningkat dari 27,4 menjadi 76,7 nm dengan peningkatan rasio massa dari 5:1 menjadi 1,67:1. Namun, ketebalan cangkang hanya sedikit meningkat dari 76,7 nm menjadi 79 nm dengan peningkatan rasio massa lebih lanjut menjadi 1,25:1. Hasilnya dapat dikaitkan dengan kesulitan kinetika dalam difusi massa yang disebabkan oleh penghalang cangkang. Kurva GCD Ni(OH)2 NCs diperoleh dengan NiCl2 yang berbeda dosis diukur dan data dicatat pada Gambar. 6a. Jelas bahwa sampel dengan Cu2 O/NiCl2 2.5:1 menampilkan waktu pengosongan terlama di bawah 4 A/g, menunjukkan kinerja kapasitif terbaik. Hasil ini dapat dianggap berasal dari kinetika transpor massa yang sesuai yang diturunkan dari ketebalan cangkang sedang. Selanjutnya, kinerja kapasitif Ni(OH)2 NC diperoleh dengan Cu2 O/NiCl2 2.5:1 dievaluasi secara kontras dengan Ni(OH)2 BNC. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 6b, puncak redoks yang signifikan terlihat jelas pada kurva CV Ni(OH)2 NCs dan Ni(OH)2 BNC, mengungkapkan karakteristik pseudokapasitif dari dua elektroda. Proses redoks sesuai dengan mekanisme penyimpanan yang terkait dengan Ni(OH)2 /NiOOH pasangan redoks diilustrasikan dalam Persamaan. (5) [28, 29].
a –d Gambar TEM dari Ni(OH)2 NCs diperoleh dengan perbandingan massa Cu2 yang berbeda O/NiCl2 . e –h Gambar TEM dari cangkang yang sesuai dari a –d
a Kurva GCD dari produk yang diperoleh dengan rasio massa Cu yang berbeda2 O/NiCl2 di 4 A g
−1
. b CV Ni(OH)2 NCs/NF dan Ni(OH)2 BNCs/NF pada kecepatan pemindaian 60 mV/s. c CV Ni(OH)2 NCs/NF pada kecepatan pemindaian yang berbeda. d Kurva GCD Ni(OH)2 NCs/NF dan Ni(OH)2 BNC/NF pada 1 A g
−1
. e Kurva GCD Ni(OH)2 NCs/NF pada kerapatan arus yang berbeda. f Skema keuntungan penyimpanan muatan untuk Ni(OH)2 NC. g Stabilitas siklus Ni(OH)2 NCs/NF pada 8 A g
−1
. h Spektrum EIS Ni(OH)2 NCs/NF dan Ni(OH)2 BNC/NF
Area terenkapsulasi CV dari Ni(OH)2 NCs jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 BNC, menunjukkan kapasitansi spesifik yang lebih tinggi. CV Ni(OH)2 NCs pada berbagai tingkat scan digambarkan pada Gambar. 6c. Kurva CV masih mempertahankan bentuk yang terdefinisi dengan baik bahkan pada tingkat pemindaian tinggi 100 mV/s, menunjukkan kemampuan tingkat yang luar biasa dan reversibilitas elektrokimia yang tinggi. Selanjutnya, arus puncak meningkat secara linier dengan akar kuadrat dari laju pemindaian, mengungkapkan bahwa difusi massal adalah faktor yang didominasi (File tambahan 1:Gambar S3). Seperti disajikan pada Gambar. 6d, kurva GCD Ni(OH)2 NCs menunjukkan waktu pengosongan yang lebih lama daripada Ni(OH)2 BNC di 1 A g
−1
, membuktikan bahwa Ni(OH)2 NCs menunjukkan kapasitansi spesifik yang lebih tinggi daripada Ni(OH)2 BNC. Gambar 6e menyajikan kurva GCD Ni(OH)2 NCs pada kepadatan arus yang berbeda. Kapasitansi spesifik yang dihitung untuk Ni(OH)2 NC adalah 539.8, 445.5, 409.4, 391.3, 360.2, dan 340.7 F g
−1
pada 1, 2, 3, 4, 5, dan 6 A g
−1
, masing-masing (File tambahan 1:Gambar S4). Nilai tersebut dihitung untuk Ni(OH)2 BNC adalah 87.3, 77.4, 72.9, 67.8, 64.1, dan 60.5 F g
−1
pada kerapatan arus yang sesuai (File tambahan 1:Gambar S5). Keuntungan struktural untuk Ni(OH)2 NC diilustrasikan pada Gambar 5f. Pertama, fitur seperti sangkar menyediakan sejumlah situs aktif untuk reaksi Faraday. Kedua, kulit tipis berpori memperpendek jarak migrasi elektron, menghasilkan laju transfer elektron yang tinggi. Ketiga, cangkang berpori memberikan saluran difusi yang cukup untuk elektrolit, meningkatkan tingkat pemanfaatan Ni(OH)2 . Stabilitas siklus Ni(OH)2 NC dievaluasi dengan mengulangi pengukuran GCD pada 8 A g
−1
(Gbr. 6 g). Terlihat bahwa kapasitansi spesifik masih mempertahankan 96,9% dari nilai awalnya setelah 2000 siklus, yang jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 BNC (61,5%, File tambahan 1:Gambar S6). Seperti yang ditunjukkan pada sisipan, 10 siklus terakhir menunjukkan sedikit perbedaan dibandingkan dengan 10 siklus pengisian-pengosongan pertama, menunjukkan stabilitas yang sangat baik. Sedikit redaman kapasitansi dapat dikaitkan dengan sedikit pelepasan Ni(OH)2 NC dari NF. Kekosongan internal dan pori-pori dalam cangkang memberikan ruang yang cukup untuk pelepasan regangan selama proses siklus [30].
Untuk mengkonfirmasi keuntungan dari struktur seperti sangkar dalam kinetika, spektrum EIS dicatat pada Gambar. 6h dan rangkaian ekivalen diilustrasikan dalam File tambahan 1:Gambar S7. Rangkaian ekivalen terutama terdiri dari Rs, Rct, Zw, CPE, dan CL. Di dalamnya, Rs adalah resistansi internal sistem elektroda. Rct adalah resistansi transfer muatan yang terkait dengan jari-jari setengah lingkaran dalam spektrum EIS. Zw adalah impendensi Warburg yang sesuai dengan kemiringan EIS pada frekuensi tinggi. Meskipun Ni(OH)2 Elektroda NCs/NF memiliki nilai Rs yang kurang lebih sama (0,27 Ω) dibandingkan dengan Ni(OH)2 BNCs/NF (0,25 Ω), Ni(OH)2 NCs/NF memiliki Rct yang jauh lebih rendah (120.8 Ω) dibandingkan dengan Ni(OH)2 BNCs (976,5 Ω), mengungkapkan laju transfer elektron yang lebih tinggi. Laju transfer elektron yang tinggi dapat dikaitkan dengan kulit Ni(OH) yang cukup tipis2 NC. Ternyata, Ni(OH)2 Elektroda NCs/NF menunjukkan kemiringan yang jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 BNCs/NF, menunjukkan proses difusi yang lebih lurus. Difusi tanpa hambatan dapat dianggap berasal dari saluran teratur dan karakteristik berpori Ni(OH)2 elektroda NCs/NF. Berdasarkan pembahasan di atas, Ni(OH)2 Elektroda NCs/NF memiliki keunggulan signifikan dalam kinetika elektrokimia dibandingkan dengan Ni(OH)2 BNC/NF.
Kinerja elektrokimia perangkat ASC
Perangkat ASC Ni(OH)2 NCs/NF//AC dibangun menurut Gambar 7a. Ni(OH)2 Elektroda NCs/NF dan AC dipisahkan dengan kertas selulosa. Seperti diilustrasikan pada Gambar. 7b, kurva CV elektroda AC menyajikan fitur hampir persegi panjang, mengungkapkan mekanisme penyimpanan EDLC yang khas. Selain itu, elektroda AC dapat didaur ulang dalam 1 hingga 0 V dan Ni(OH)2 Elektroda NCs/NF dapat didaur ulang dalam 0 hingga 0,6 V, menunjukkan bahwa perangkat ASC mampu menghasilkan tegangan operasi 1,6 V. Kurva CV yang ditampilkan pada Gambar 7c menunjukkan bentuk yang terdefinisi dengan baik bahkan pada kecepatan pemindaian yang tinggi, menyiratkan massa yang sangat baik kinetika transportasi dan reversibilitas terkemuka. Kurva GCD dari perangkat ASC pada kepadatan arus yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 7d. Kepadatan energi dan rapat daya perangkat dihitung menurut Gambar 7d. Kepadatan energi 23,3 Wh Kg
−1
dicapai pada kepadatan daya 800 W Kg
−1
. Kepadatan energi 9,6 Wh Kg
−1
masih diperoleh bahkan pada kepadatan daya tinggi 8000 W Kg
−1
. Densitas energi jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 BNCs/NF//AC ASC (File tambahan 1:Gambar S8, 3 Wh Kg
−1
pada 880 W Kg
−1
). Selanjutnya, densitas energi maksimum ASC juga lebih besar daripada Ni(OH)2 bahan berbasis [31, 32]. Stabilitas siklus diperkirakan dengan mengulangi pengukuran GCD pada 4 A g
−1
untuk 2000 siklus. Kapasitansi spesifik akhir masih mempertahankan 90,1% dari nilai terbesarnya dan nilai ini jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 BNCs/NF//AC ASC (File tambahan 1:Gambar S9, 60%). Selain itu, sepuluh kurva GCD terakhir mirip dengan sepuluh siklus pertama, menunjukkan stabilitas perangkat ASC yang sangat baik. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 7f, Ni(OH)2 NC masih mempertahankan morfologi mirip sangkar kubik yang seragam setelah 2000 siklus, yang selanjutnya menunjukkan stabilitas siklus yang sangat baik. Hilangnya kapasitansi spesifik dapat dikaitkan dengan sejumlah kecil bahan aktif yang turun dari NF.
a Skema Ni(OH)2 Perangkat NCs/NF//AC. b CV dari AC dan Ni(OH)2 Elektroda NCs/NF dalam sistem tiga elektroda. c CV Ni(OH)2 NCs/NF//AC ASC antara 0 dan 1,6 V. d Kurva GCD ASC pada rapat arus yang berbeda antara 0 dan 1,6 V. e Stabilitas bersepeda ASC selama 2000 siklus pada 4 A g
−1
. f Gambar SEM dari elektroda positif sebelum dan sesudah bersepeda
Kesimpulan
Secara keseluruhan, Ni(OH)2 NCs berhasil dibangun melalui metode CEP dan digunakan sebagai elektroda untuk superkapasitor. Ni(OH)2 NC menyajikan luas permukaan spesifik yang besar sebesar 54,7 m
2
/g dan distribusi ukuran pori terkonsentrasi antara 2,7 dan 6,1 nm. Kulit tipis memperpendek rute transfer dan meningkatkan laju transfer elektron. Sebagai elektroda positif untuk superkapasitor, Ni(OH)2 NCs/NF menampilkan kapasitansi spesifik sebesar 539,8 F g
−1
di 1 A g
−1
, yang jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 BNCs/NF//AC (87,3 F g
−1
di 1 A g
−1
). Kapasitansi spesifik masih mempertahankan sekitar 96,9% dari nilai awalnya setelah 2000 siklus. ASC Ni(OH)2 NCs/NF//AC memiliki kepadatan energi 23.3 Wh Kg
−1
pada 800 W Kg
−1
, yang jauh lebih besar daripada Ni(OH)2 BNC (3 Wh Kg
−1
pada 880 W Kg
−1
). Hasilnya menunjukkan bahwa Ni(OH)2 . yang dirancang NC memiliki aplikasi potensial di bidang penyimpanan energi.
