Sintesis Kawat Nano Co3O4 yang Ramah Lingkungan dan Mudah serta Aplikasi Menjanjikannya dengan Grafena dalam Baterai Lithium-Ion
Abstrak
Dalam pekerjaan ini, kami mengembangkan strategi ramah lingkungan untuk mempersiapkan Co3 O4 kawat nano. Prosesnya terdiri dari dua langkah:sintesis terkendali kawat nano logam kobalt diikuti oleh langkah oksidasi udara yang lancar. Struktur kawat nano 1D dengan rasio aspek tinggi mudah dicapai melalui perakitan mandiri kompleks ion kobalt yang dibantu medan magnet selama reduksi. Setelah kalsinasi udara, Co3 O4 nanowires disiapkan dalam skala besar dan siap digunakan sebagai bahan anoda untuk baterai lithium-ion. Co3 O4 kawat nano, yang memiliki panjang mulai dari 3 hingga 8 m dengan rasio aspek lebih dari 15, menunjukkan kapasitas penyimpanan litium yang dapat dibalik hingga ~ 790 mAh/g saat menggunakan sejumlah kecil serpihan graphene bebas cacat sebagai aditif konduktif. Performa elektrokimia yang unggul dianggap berasal dari efek "flat-on" sinergis antara kawat nano 1D dan graphene 2D. Oleh karena itu, Co3 O4 komposit nanowire/graphene memiliki aplikasi yang menjanjikan untuk baterai lithium-ion.
Latar Belakang
Dengan tuntutan yang berkembang pesat untuk strategi energi bersih dan berkelanjutan, perangkat penyimpanan energi listrik sangat dibutuhkan untuk banyak aplikasi seperti kendaraan listrik dan perangkat elektronik portabel. Baterai lithium-ion (LIB) dapat memberikan kepadatan energi yang relatif tinggi dan memberikan banyak keuntungan seperti rentang umur yang panjang, biaya rendah, dan reversibilitas yang baik. Oksida logam transisi telah dianggap sebagai anoda yang menjanjikan untuk LIB karena kelimpahannya, biaya rendah, dan kapasitas teoritis yang tinggi [1, 2], di antaranya oksida kobalt (Co3 O4 ) telah menarik banyak perhatian karena kapasitas teoretisnya yang tinggi (890 mAh/g) [2,3,4]. Namun, konduktivitas intrinsik rendah, volume besar dan perubahan selama siklus, serta koefisien pemanfaatan Co3 yang rendah O4 , menyebabkan kinerja elektrokimia yang buruk, menghambat aplikasi praktisnya [5, 6].
Dalam beberapa tahun terakhir, pengembangan nanosains dan nanoteknologi membawa peluang revolusioner untuk lebih meningkatkan kinerja LIB, terutama struktur nano 1D (misalnya, kawat nano, sabuk nano, serat nano). Mereka telah menarik banyak perhatian karena sifat elektrokimianya yang luar biasa termasuk luas permukaan yang tinggi, jalur transpor ion/elektro yang pendek, dan kemampuan yang baik untuk mengakomodasi ekspansi volume selama pengisian/pengosongan [5, 7,8,9,10].
Meskipun bahan nano 1D ini, seperti Co3 O4 kawat nano (Co3 O4 NWs), menarik sebagai bahan elektroda, sintesis struktur nano tersebut telah meningkatkan minat luas tetapi masih tetap cukup menantang. Banyak metode untuk preparasi kawat nano, termasuk metode hidrotermal dan solvothermal [11,12,13], deposisi elektro berbasis template [14], dan reduksi kimia basah [15], dikembangkan dengan baik selama dekade terakhir. Pendekatan ini, bagaimanapun, sering melibatkan kondisi sintesis yang keras seperti tekanan/suhu tinggi, template mahal, atau asam kuat (seperti HF, banyak digunakan untuk melarutkan template), sehingga menghambat aplikasi praktis bahan nano tersebut. Misalnya, Dong et al. menyiapkan Co3 O4 NWs dengan memanaskan foil kobalt murni di atmosfer, tetapi waktu reaksi, suhu, dan kelembaban perlu dikontrol dengan hati-hati. Proses persiapannya rumit dan memakan waktu [16]. Ji dkk. menggunakan metode sintesis berbasis template untuk mendapatkan Co3 O4 NWs di pori-pori sempit template AAO, sedangkan asam kuat dan template sangat diperlukan [14]. Dari hasil Xu et al., Co3 O4 NWs disintesis melalui metode hidrotermal yang dimodifikasi dengan tekanan tinggi [11]. Seperti yang ditemukan dalam banyak literatur, pendekatan yang ada telah mengalami banyak kerugian, seperti operasi yang rumit, kesulitan dalam pemurnian, biaya tinggi, dan pencemaran lingkungan yang parah. Sangat penting untuk mengembangkan metode baru untuk mensintesis struktur nanowire, dengan peningkatan skalabilitas, kelayakan, dan keramahan lingkungan untuk mengatasi berbagai kesulitan yang telah menghambat aplikasi skala besar dari struktur nano tersebut untuk waktu yang lama.
Di sini, kami melaporkan metode baru, mudah, dan ramah lingkungan untuk menyiapkan Co3 O4 NW. Metode dua langkah diadopsi dalam penelitian ini:sintesis kawat nano Co (CoNWs) berbantuan medan magnet dan oksidasi CoNWs. Dengan efisiensi dan kesederhanaan yang unggul, metode saat ini akan memperluas aplikasi elektrokimia Co3 O4 bahan, dibandingkan dengan pendekatan sintesis sebelumnya. Sepengetahuan kami, tidak ada laporan yang relevan mengenai strategi sintesis baru ini. Dalam laporan ini, Co3 O4 NWs menampilkan struktur yang relatif kokoh dengan rasio panjang-diameter ~ 15, bermanfaat untuk membangun jalur transmisi elektron/ion. Dengan bantuan sejumlah kecil graphene (3 wt%) yang bertindak sebagai pendukung konduktif, Co3 tersebut O4 Bahan NWs/graphene memiliki kapasitas reversibel ~ 790 mAh/g dan kemampuan kecepatan yang baik jika dibandingkan dengan Co3 biasa O4 nanopartikel (Co3 O4 NP), menjadikannya kandidat yang baik untuk aplikasi baterai lithium-ion.
Eksperimental
Materi
Cobalt (II) klorida heksahidrat (CoCl2 ·6H2 O, 99 berat%), garam dinatrium asam etilendiamin tetraasetat (EDTA-2Na, 99 berat%), natrium hidroksida (NaOH, 98 berat%), natrium klorida (NaCl, 99,5 berat%), kalium klorida (KCl, 99,5 berat ), polivinilpirolidon K30 (PVP (–CH(NCH2 CH2 CH2 CO)CH2 –)n , Mw = 29.000–35.000), dan hidrazin monohidrat (N2 H4 ·H2 O, 80 vol%) dibeli dari Chengdu KeLong Reagent Co., Ltd. (China), dan asam kloroplatinat heksahidrat (H2 PtCl6 ·6H2 O, 38 wt%) dibeli dari Shenyang Research Institute of Non-ferrous Metals (Cina). Semua bahan kimia adalah kelas analitis tanpa pemurnian lebih lanjut. Semua larutan berair disiapkan dengan air de-ionisasi (air D.I.). Co3 . yang tersedia secara komersial O4 NP yang diperoleh dari Shanghai Aladdin Bio-chem Technology Co., Ltd. digunakan sebagai kelompok kontrol.
Sintesis CoNWs
Dalam sintesis tipikal, 0,6 mmol CoCl2 ·6H2 O dan 0,6 mmol EDTA-2Na dimasukkan ke dalam gelas kimia PTFE berkapasitas 100 mL, dilarutkan dalam 60 mL D.I. air. Nilai pH larutan diatur menjadi 14 dengan titrasi NaOH encer, dan 0,15 g PVP sebagai surfaktan dilarutkan dalam larutan dengan pengadukan kuat. Setelah terdispersi dengan baik, gelas kimia ditempatkan di antara dua magnet (dalam penangas air), dengan medan yang diterapkan sebesar 35 mT yang diukur dengan HT20 tesla meter, dan penangas air diatur pada suhu 80 °C. Saat suhu larutan reaksi mencapai 80 °C, 0,30 mL N2 H4 ·H2 O bertindak sebagai reduktor ditambahkan ke solusi di atas untuk reduksi Co
2+
dan 0,12 mL 0,0253 mol/L H2 PtCl6 ·6H2 O (berfungsi sebagai inisiator) dicampur dalam larutan. CoNWs terbentuk secara bertahap dalam 10 menit. Setelah reaksi, senyawa dikeluarkan dari larutan dengan magnet dan dicuci secara ultrasonik beberapa kali menggunakan etanol dan air suling untuk menghilangkan pengotor. Terakhir, sampel dikeringkan dalam oven pengering beku vakum selama 12 jam.
Sintesis Co3 O4 NW
0,01 g sampel yang telah disiapkan dimasukkan ke dalam wadah porselen yang dicampur dengan 0,3 g KCl dan 0,2 g NaCl secara merata. Kemudian, campuran disimpan dalam muffle furnace dan dipanaskan pada suhu 650 °C selama 4 jam. Setelah tungku peredam mendingin secara alami, produk dikeluarkan dan dicuci oleh D.I. air tiga kali dan dikeringkan dalam oven pengering pada suhu 80 °C selama 4 jam. Proses pembentukan Co3 O4 NW ditunjukkan pada Gambar. 1.
Ilustrasi skema untuk persiapan Co3 O4 NW
Karakterisasi
Karakterisasi Materi
Fase komposisi produk yang diperoleh diverifikasi dan dibandingkan dengan analisis difraksi sinar-X (XRD, Philips X’Pert Pro MPD) menggunakan CuKα sebagai sumber radiasi (λ = 0.154249 nm) pada tegangan 40 kV. Sudut difraksi (2θ ) disetel antara 20° dan 90°, dengan ukuran langkah 4° min
−1
. Identifikasi fase dicapai dengan membandingkan pola difraksi sampel dengan kartu standar dalam database ICDD-JCPDS.
Morfologi struktur mikro sampel dicirikan oleh mikroskop elektron pemindaian emisi medan (SEM, JSM-6701F, JEOL, Jepang) pada tegangan akselerasi 150 kV. Semua sampel dilapisi dengan emas sebelum pengamatan SEM.
Gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) dan gambar resolusi tinggi TEM (HRTEM) diambil pada Tecnai-G20 TEM (FEI, USA) untuk karakterisasi mikrostruktur dengan tegangan percepatan 200 kV. Difraksi elektron area terpilih (SAED) juga direkam menggunakan peralatan yang sama.
Pengukuran Elektrokimia
Pertunjukan elektrokimia Co3 O4 NW dan Rekan3 O4 NP diukur berdasarkan sel setengah koin CR2025. Lembar nano graphene bebas cacat (df-GNS) diproduksi melalui pengelupasan fase cair yang dimodifikasi [17] dan kemudian digunakan sebagai komponen konduktif dalam elektroda. Grafena bebas cacat dengan ketebalan hingga ~ 0,5 nm dan ukuran lateral ~ 1 μm disiapkan dan didispersikan dalam N -metil-pirolidon (NMP). Elektroda kerja bebas pengikat dibuat dengan melapisi campuran bubur, yang terdiri dari bahan aktif (Co3 O4 NWs/Co3 O4 NPs) dan graphene nanosheets (GNS) dalam rasio berat 100:3, ke kolektor arus foil tembaga. Pemuatan bahan aktif adalah 0,5~1 mg per sel.
Larutan elektrolitnya adalah 1 mol/L LiPF6 dilarutkan dalam campuran etilen karbonat (EC), propilen karbonat (PC), dan dietil karbonat (DEC) dengan perbandingan volume EC/PC/DEC = 1:1:1. Membran Celgard 2325 digunakan sebagai pemisah. Sel-sel koin dirakit dalam glovebox berisi argon yang kandungan oksigen dan kelembapannya kurang dari 0,1 ppm.
Siklus pengisian-pengosongan galvanostatik diuji menggunakan sistem pengujian baterai (LAND 2001A) dalam jendela tegangan 0,01~3 V. Voltammogram siklik (CV) Co3 O4 Elektroda NWs/df-GNS dilakukan pada stasiun kerja elektrokimia komersial dalam rentang tegangan 0,01~3,0 V pada laju pemindaian 0,5 mV/s. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan pada tegangan rangkaian terbuka dalam rentang frekuensi antara 0,1 Hz~100 kHz dengan amplitudo tegangan 5,0 mV.
Hasil dan Diskusi
Fase dari CoNWs, Co3 O4 NW, dan Co3 O4 NP pertama kali diselidiki oleh XRD. Puncak difraksi Bragg masing-masing ditunjukkan pada Gambar 2a–c. Terlihat bahwa puncak-puncak difraksi CoNWs terindeks dengan baik dengan pantulan face-centered cubic (fcc) Co (JCPDS No. 15-0806). Khas dua puncak karakteristik fcc Co pada nilai 2-teta 44° dan 76° yang sesuai dengan indeks Miller (111) dan (220) diamati, masing-masing. Co3 O4 Barat Laut dan Rekan3 O4 Puncak difraksi NP terindeks dengan baik dengan pantulan kubus berpusat muka (fcc) Co3 O4 (JCPDS No. 15-0806). Puncak difraksi yang tercatat dari Co3 O4 NP dan Rekan3 O4 NWs di 2-theta = 19°, 31°, 37°, 39°, 45°, 56°, 59° dan 65° ditugaskan dengan baik ke (111), (220), (311), (222), (400), (422), (511), dan (440) bidang hcp Co3 O4 , masing-masing, dengan parameter sel a = 8.084 Å, b = 8.084 Å, dan c = 8.084 Å. Sementara itu, puncak difraksi yang tajam dan tinggi menunjukkan bahwa Co3 . yang telah terpreparasi O4 NWs memiliki tingkat kristal yang tinggi. Selanjutnya, ukuran butir kristal rata-rata diperkirakan dari pola XRD menurut rumus Scherrer D = λk /(β karenaθ ) (di mana D adalah ukuran kristal rata-rata, λ adalah panjang gelombang sinar-X 0,1542 nm, k adalah faktor bentuk partikel, β menunjukkan lebar garis sudut intensitas setengah maksimum, dan θ mewakili sudut Bragg) dengan nilai 18,67 dan 25,35 nm untuk CoNW dan Co3 O4 NW, masing-masing. Jelas bahwa nilai-nilai ini lebih kecil dari ukuran partikel Co tunggal kawat nano seperti yang diamati oleh SEM, yang menyiratkan bahwa setiap partikel kawat nano terdiri dari beberapa butir kristal. Tidak ada puncak karakteristik karena pengotor yang terdeteksi, yang menunjukkan bahwa kemurnian tinggi Co3 O4 NW. Juga mengejutkan memiliki CoNWs-to-Co3 . yang begitu tinggi O4 Konversi NWs menghasilkan melalui oksidasi udara sederhana, yang dapat ditetapkan pada reaktivitas superior CoNWs terhadap oksigen karena luas permukaan spesifiknya yang tinggi.
Pola XRD dari CoNW (a ), Rekan3 O4 NW (b ), dan Co3 O4 NP (c )
Morfologi sampel yang diperoleh dicirikan dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM). Gambar SEM menunjukkan Co3 O4 Sampel NP memiliki diameter homogen 80 nm dan sebagian besar sampel memiliki morfologi bulat utuh (lihat Gambar 3a). CoNW seragam dengan diameter ~ 150 nm dan panjang 20 μm diamati seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Morfologi permukaan seperti kalung yang jelas terdiri dari partikel-partikel kecil yang saling berhubungan dapat dilihat, memverifikasi mekanisme reaksi yang kami usulkan di atas. Selain itu, CoNW memiliki integritas struktural yang kuat yang tetap berbentuk seperti kawat bahkan setelah ultrasonikasi selama enam kali (1 menit setiap kali). Setelah membilas CoNW dengan air dan etanol beberapa kali, CoNW siap diubah menjadi Co3 O4 NWs dengan oksidasi udara sederhana. Gambar Co3 O4 NWs (Gbr. 3c, d) menunjukkan kawat nano yang relatif halus dan berdiameter sekitar 180 nm, yang menunjukkan bahwa kawat nano masih mempertahankan struktur seperti kawat setelah kalsinasi. Jadi oksidasi udara adalah pendekatan yang mudah dan valid untuk mendapatkan Co3 O4 NW.
Gambar SEM dari Co3 O4 NP (a ), CoNW (b ), dan Co3 O4 NW (c , d ) dengan perbesaran berbeda
Struktur mikro Co3 O4 NP, CoNW, dan Rekan3 O4 Sampel NWs diselidiki lebih lanjut dengan mikroskop elektron transmisi (TEM), difraksi area terpilih (SAED), dan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a-f. Gambar TEM tipikal ditampilkan pada Gambar 4a-c, dan morfologi serta struktur sampel hampir konsisten dengan apa yang diamati dari gambar SEM. Selanjutnya, seperti inset pada Gambar. 4a–c diperlihatkan, pola cincin konsentris Co3 O4 NP dan Rekan3 O4 NW (Gbr. 4a, c) yang diamati dapat ditetapkan ke bidang (200), (311), (440), dan (511) Co3 O4 , dan pola cincin konsentris CoNW (Gbr. 4b) yang diamati dapat dikaitkan dengan bidang (111) dan (220) Co. SEAD persis identik dengan kisi kubik Co dan Co3 O4 , masing-masing, yang konsisten dengan hasil XRD. Orientasi kisi CoNW dalam gambar HRTEM pada Gambar. 4e, sebagai pendahulu Co3 O4 NWs, memiliki jarak interplanar 0,12 dan 0,21 nm, sesuai dengan bidang (111) dan (211) dari struktur Co. Jarak kisi (Gbr. 4d, f) sepanjang arah (220), (311), (440), dan (511) diperkirakan 0,28, 0,25, 0,15, dan 0,14 nm, yang mendekati data standar dari 0,29, 0,24, 0,15, dan 0,14 nm.
Gambar TEM dari Co3 O4 NP (a ), CoNW (b ), dan Co3 O4 NW (c ). Sisipan (a , b , dan c ) menunjukkan pola difraksi elektron area (SAED) yang dipilih dari sampel yang sesuai. Gambar TEM resolusi tinggi dari Co3 O4 NP, CoNW, dan Rekan3 O4 NW di (d , e , dan f )
CoNW disiapkan melalui rute reaksi berbasis solusi. Pada Gambar. 5, kami mengusulkan kemungkinan mekanisme pembentukan. Pada awalnya, EDTA-2Na berkoordinasi dengan Co
2+
ion untuk menghasilkan kompleks dalam larutan. Kemudian, molekul PVP dirakit sendiri menjadi misel bola di dalam air [18, 19], dan inti Co dibungkus dan mungkin diserap ke permukaan misel bola untuk mengurangi energi bebas Gibbs permukaan. Selanjutnya, dengan diperkenalkannya N2 H4 ·H2 O ke dalam solusi, sebagian dari N2 H4 tanpa henti mengganti EDTA
2−
anion dan dikoordinasikan dengan Co
2+
kation untuk membentuk [Co(N2 H4 )3 ]
2+
kompleks, dan sisanya berfungsi sebagai agen pereduksi yang dimasukkan ke dalam mini-reaktor dan mengubah [Co(N2 H4 )3 ]
2+
untuk nanopartikel Co kecil. Co serta senyawanya lebih disukai untuk membentuk mikro-sphere menurut literatur sebelumnya [20, 21]. Karena sifat magnetik intrinsik logam Co, momen magnet dipol atom Co disejajarkan dengan arah medan magnet luar. Akibatnya, partikel nano Co akan sejajar di sepanjang garis induksi magnetik untuk membentuk CoNW.
Gambar skema Co3 O4 Mekanisme pembentukan NW dibantu oleh medan magnet luar
Memanfaatkan fitur geometris 1D Co3 O4 NWs, kami menyiapkan elektroda menggunakan sejumlah kecil graphene bebas cacat 2D (df-graphene) sebagai dukungan konduktif untuk membangun struktur hibrida 1D-2D (Metode persiapan df-graphene dijelaskan dalam penelitian sebelumnya [17] ). Gambar 6a menunjukkan morfologi Co3 O4 Elektroda NWs/df-GNS. Untuk fabrikasi elektroda, Co3 O4 NWs dalam bentuk bubuk ditambahkan ke dispersi df-GNS/NMP dan kemudian campuran bubur disonikasi selama 10 menit sebelum diteteskan pada foil tembaga. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar. 6b, karena sifat dimensi rendah dari kawat nano dan lembaran nano, Co3 O4 NWs dan df-GNS keduanya membentuk morfologi "datar" pada kolektor saat ini dengan kawat nano yang tertanam di antara lembaran nano. Struktur ini dapat memberikan beberapa keuntungan:(1) dapat mencegah bahan nano ini dari agregasi diri, terutama agregasi diri dan penyusunan ulang Co3 O4 NWs, yang merupakan kelemahan utama untuk aplikasi praktis dari struktur nano tersebut; (2) df-GNS tidak hanya menawarkan jalur elektron cepat tetapi juga bertindak sebagai bantalan penyangga fleksibel untuk mengakomodasi perubahan volume Co3 O4 NW selama pengisian/pengosongan; (3) struktur nano 1D-2D menawarkan banyak pori dan terowongan nano untuk meningkatkan transpor ion karena luas permukaan luar, luas pori mikro, dan ukuran pori rata-rata Co3 O4 NW terdeteksi 28,554 m
2
/g, 43,697 m
2
/g, masing-masing 14,682 nm.
a Gambar SEM dari Co3 O4 Elektroda NWs/df-GNS. b Nilai kemampuan Co3 O4 NW dan Rekan3 O4 NP di bawah berbagai kepadatan arus mulai dari 50 hingga 1000 mA/g. c , d Kurva pengisian dan pengosongan siklus awal/20 yang khas dari Co3 O4 NW (c ) dan Co3 O4 NP (d )
Performa elektrokimia dari elektroda yang disiapkan dievaluasi dengan siklus pengisian/pengosongan galvanostatik pada berbagai kerapatan arus mulai dari 50 hingga 1000 mA/g. Seperti yang dapat dilihat, Co3 . yang telah disiapkan O4 Elektroda NWs/df-GNS menghasilkan kapasitas reversibel ~ 790 mAh/g setelah 20 siklus pada kerapatan arus 50 mA/g, sedikit penurunan kapasitas yang diamati selama 20 siklus pengisian/pengosongan pertama (seperti yang terlihat pada Gambar 6c). Sementara itu, Co3 O4 Elektroda NPs/df-GNS tampaknya memiliki kapasitas awal yang relatif tinggi ~ 1130 mAh/g pada pelepasan pertama, bahkan lebih tinggi daripada Co3 O4 NWs/df-GNS (~ 980 mAh/g) dan kapasitas teoritis Co3 O4 (890 mAh/g). Kami menganggap kapasitas ireversibel awal yang tinggi ini disebabkan oleh pembentukan lapisan antarmuka elektrolit padat (SEI) yang dihasilkan dari dekomposisi elektrolit. Namun, kapasitas awal yang tinggi dari Co3 O4 NPs/df-GNS tampaknya sangat ireversibel yang meluruh menjadi ~ 400 mAh/g pada siklus kedua. Setelah 20 siklus pada kepadatan arus 50 mA/g, hanya ~ 150 mAh/g yang diamati untuk Co3 O4 Elektroda NPs/df-GNS (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d). Saat rapat arus meningkat menjadi 100, 200, dan 1000 mA/g, Co3 O4 Elektroda NWs/df-GNS menghasilkan kapasitas masing-masing ~ 680, ~ 650, dan ~ 400 mAh/g, sedangkan Co3 O4 Elektroda NPs/df-GNS menunjukkan kapasitas yang sangat buruk (kurang dari 150 mAh/g pada 100–200 mA/g dan kurang dari 20 mAh/g pada 1000 mA/g).
Saat kepadatan arus kembali ke 50 mA/g, kapasitas mendekati 800 mAh/g diperoleh di Co3 O4 NWs/df-GNS, sedangkan Co3 O4 Elektroda NPs/df-GNS hampir kehilangan kemampuannya untuk penyimpanan ion litium. Alasan penurunan kapasitas parah Co3 O4 NPs/df-GNS mungkin disebabkan oleh faktor-faktor berikut:(1) perubahan volume yang besar selama penyisipan/ekstraksi lithium, yang menyebabkan hilangnya kontak antara bahan aktif dan pengisi konduktif/kolektor arus. Selama proses bersepeda, Co3 O4 Elektroda NP secara bertahap kehilangan jalur transmisi elektronnya dan akhirnya mengakibatkan kapasitas memudar; (2) konfigurasi nanopartikel teragregasi sendiri menghasilkan Li2 Matriks O dan/atau lapisan polimer seperti gel yang membungkus kluster nanopartikel, yang dapat menghambat difusi ion dan/atau elektron ke dalam inti kluster. Sebaliknya, heterostruktur nanowire/graphene 1D/2D di Co3 O4 Elektroda NWs/df-GNS tidak hanya membuat konfigurasi “flat-on” yang dapat mengakomodasi perubahan volume yang besar tetapi juga menawarkan banyak rongga dan pori-pori untuk meningkatkan transmisi ion/elektron. Hasilnya, performa siklus dan laju Co3O4NWs/df-GNS meningkat secara signifikan dibandingkan dengan Co3O4NPs/df-GNS, mempertahankan kapasitas tinggi setelah 100 siklus.
Selain uji pelepasan muatan galvanostatik, voltamogram siklik (CV) dari Co3 yang dibuat O4 NWs/df-GNS disajikan pada Gambar. 7a. Pada siklus pertama, dua puncak katodik diamati pada rentang tegangan ~ 1.1 dan ~ 0.4 V, yang dapat dikorelasikan dengan reduksi elektrokimia multilangkah Co3 O4 oleh Li untuk memberikan Co logam (litiasi) [22]. Puncak anodik utama pada 2,2 V berasal dari reaksi oksidasi logam Co untuk membentuk kembali Co3 O4 . Reaksi konversi elektrokimia reversibel ini dapat diringkas sebagai berikut:
a Voltammogram siklik dari Co3 O4 Elektroda NWs/df-GNS pada kecepatan pemindaian 0,5 mV/dtk. b Spektrum impedansi elektrokimia Co3 O4 NP/df-GNS dan Co3 O4 Elektroda NWs/df-GNS diperoleh dengan menerapkan gelombang sinus dengan amplitudo 5,0 mV pada rentang frekuensi 100 kHz~0,1 Hz
Puncak katodik kuat yang sangat besar pada ~ 0,4 V pada siklus pertama diamati; namun, puncak katodik pada siklus kedua dan ketiga pada daerah tegangan ini hanya muncul sebagai “benjolan”. Kami menyimpulkan ini pada pembentukan film antarmuka elektrolit padat (SEI) selama proses pelepasan pertama, yang tetap stabil pada siklus berikutnya. Akibatnya, kurva CV dari siklus kedua dan ketiga hampir tumpang tindih satu sama lain, menunjukkan puncak katodik pada 1,2 dan 0,7 V dan puncak anodik lebar pada 2,1 V. Perilaku ini menunjukkan lapisan SEI yang stabil dan reversibilitas elektrokimia yang tinggi dari Co3 O4 Elektroda NWs/df-GNS. Co3 O4 NWs/df-GNS dan Co3 O4 Elektroda NPs/df-GNS juga dikarakterisasi dengan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS). Plot Nyquist dari dua elektroda, ditunjukkan pada Gambar. 7b, keduanya menunjukkan setengah lingkaran di wilayah frekuensi tinggi dan garis miring di wilayah frekuensi rendah. Data impedansi dapat dipasang dalam rangkaian listrik ekivalen yang ditunjukkan pada inset Gambar 7b, di mana CPE adalah elemen fase konstan yang terkait dengan kapasitansi dua lapis, We adalah impedansi Warburg, dan Rs dan Rct mewakili resistansi sistem elektrokimia. dan resistansi transfer muatan, masing-masing. Resistensi transfer muatan Rct dari Co3 O4 NWs/df-GNS dihitung menjadi 52,6 Ω; namun, Co3 O4 NPs/df-GNS adalah 109 Ω. Kami menyarankan kemampuan transfer muatan yang unggul dari kawat nano ini berkontribusi pada kinerja laju elektroda.
Kesimpulan
Singkatnya, kami mengusulkan strategi baru, mudah, dan ramah lingkungan untuk mensintesis Co3 O4 NW dengan efisiensi dan efektivitas biaya yang unggul. Sifat penyimpanan lithium yang sangat baik diamati dalam bahan nano tersebut. Hasil XRD dan SAED menunjukkan bahwa Co3 . yang diperoleh O4 Sampel NW menunjukkan kualitas yang baik dalam komposisi kimia dan fasa. Co3 O4 NW dengan diameter rata-rata sekitar 180 nm dan panjang berkisar antara 3 hingga 8 μm diamati oleh SEM dan TEM. Kawat nano ini menunjukkan kinerja elektrokimia yang baik, mencapai kapasitas penyimpanan litium lebih tinggi dari 700 mAh/g, sebagai hasil dari transpor elektron yang cepat dan sifat mengakomodasi perubahan volume dari struktur nano hibrid 1D-2D yang unik bersama dengan graphene 2D.
