Elektroda Superkapasitor Kapasitas Ultra-Tinggi dari Sintesis Hidrotermal One-Step Nanowires Hidroksida Kobalt Karbonat Doped Klorin pada Nickel Foam

Abstrak

Kami menyajikan elektroda bebas perekat yang terdiri dari nanowires hidroksida kobalt karbonat doped klorin yang stabil sendiri (Co-ClNWs) yang ditumbuhkan secara langsung pada nickel foam melalui prosedur hidrotermal satu langkah. Nanowires berupa jarum, diameter 3–10 nm dan sangat mesopor, menyediakan permukaan aktif besar dan jalur ion yang tidak terhalang. Dalam pengaturan tiga elektroda, elektroda Co-ClNWs(NiE) menghasilkan kapasitansi spesifik di atas 2150 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, mempertahankan 94,3 % kapasitansinya setelah 500 siklus, dan mencapai densitas energi 41,8 W h kg⁻¹ pada densitas daya 1280 W kg⁻¹ saat digunakan sebagai elektroda positif superkapasitor asimetris. Dibandingkan elektroda konvensional, metode satu langkah menyediakan kinerja elektrokimia yang unggul sambil menyederhanakan pembuatan, menawarkan jalan yang menjanjikan untuk perangkat penyimpanan energi generasi mendatang.

Pendahuluan

Superkapasitor sangat penting untuk penyimpanan energi cepat diisi, daya tinggi, dan siklus panjang, sehingga menarik untuk aplikasi militer, otomotif, dan elektronik portabel [1–7]. Mereka diklasifikasikan sebagai kapasitor lapisan ganda listrik (EDLC) atau pseudokapasitor, yang terakhir menyimpan muatan melalui reaksi redoks Faradaik [8–11]. Meskipun oksida ruthenium menawarkan kinerja yang bagus, biaya, porositas rendah, dan toksisitasnya menghambat penggunaan komersial [12]. Oleh karena itu, oksida/hidroksida logam melimpah seperti NiO, Co₃O₄, Fe₃O₄, Fe₂O₃, V₂O₅, Co(OH)₂, dan Ni(OH)₂ sedang dieksplorasi [13–14].

Co(OH)₂, dengan reaksi redoks reversibel dan kapasitas teoretis tinggi, menonjol sebagai kandidat yang menjanjikan [14]. Kontrol morfologi—terutama luas permukaan besar dan mesoporositas—telah terbukti penting untuk mencapai kapasitansi tinggi [6,15–18]. Mahmood et al. mendemonstrasikan nanowires hidroksida kobalt karbonat doped klorin (Co(CO₃)₀.₃₅Cl₀.₂₀(OH)₁.₁₀) dengan kapasitansi dan densitas energi yang luar biasa, mengaitkan kinerja pada permukaan hidrofilik dan stabilan anion yang mengurangi polarisasi [19].

Inovasi struktural, seperti arsitektur inti-konstel atau hierarkis, dapat meningkatkan transportasi ion dan kontak elektroda-elektrolit. Misalnya, inti-konstel MnCo-LDH@Ni(OH)₂ pada nickel foam mencapai 2320 F g⁻¹ pada 3 A g⁻¹, namun sintesisnya melibatkan langkah yang kompleks [24]. Jalur yang sederhana dan skalabel untuk elektroda seragam dan berkinerja tinggi tetap diinginkan.

Dalam karya ini, kami menyintesis nanowires hidroksida kobalt karbonat doped klorin mesopor (Co-ClNWs) secara langsung pada nickel foam melalui metode hidrotermal satu langkah yang mudah, menghasilkan elektroda Co-ClNWs(NiE). Desain intrinsik elektroda memaksimalkan penggunaan sit aktif dan keaksesan ion, menawarkan patokan untuk bahan superkapasitor berbasis kobalt dan cetak biru untuk skalasi industri.

Metode

Sintesis Co-ClNWs pada Nickel Foam

Nickel foam komersial (Canrd Co., Ltd.) dibersihkan dalam HCl 0,5 M selama 30 menit, dicuci dengan air deionisasi dan etanol, dan dikeringkan pada 80 °C selama 12 jam. Larutan 3,5 g CoCl₂·6H₂O dan 0,9 g urea dalam 100 mL air deionisasi diaduk selama 30 menit hingga larut sepenuhnya. Nickel foam direndam dalam larutan di dalam autoclave stainless steel dan dipanaskan pada 120 °C selama 20 jam. Setelah pendinginan, foam dicuci, dikeringkan di bawah vakum, dan disimpan untuk digunakan.

Karakterisasi Bahan

Morfologi diperiksa oleh FE-SEM (MIRA3 TESCA) dan TEM (FEI Tecnai). Pola XRD dicatat pada difraktometer SIEMENS D500 (Cu Kα, λ = 0,15056 nm). XPS dilakukan pada ESCALAB 250 (Al Kα). Isotherma serapan-desorpsi nitrogen (ASAP 2020) menyediakan luas permukaan BET dan distribusi ukuran pori melalui QSDFT.

Pengukuran Elektrokimia

Elektroda Co-ClNWs(NiE) (luas geometris = 1 cm², massa = 3 mg, ketebalan = 0,25 mm) diuji dalam sel tiga elektroda dengan Pt counter dan Hg/HgO referensi dalam KOH 6 M. Voltametri siklik (CV), charge-discharge galvanostatis (GCD), dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) (5 mV, 0,01 Hz–100 kHz) dilakukan pada workstation CHI660E. Kapasitansi spesifik dihitung dari Eq. (1). Untuk superkapasitor asimetris (ASC), Co-ClNWs(NiE) berfungsi sebagai elektroda positif dan karbon aktif (AC) sebagai elektroda negatif; rasio massa ditentukan oleh Eq. (2). Densitas energi dan daya diperoleh dari Eqs. (3)–(5).

Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi Co-ClNWs(NiE)

Citra SEM (Gambar 1) menunjukkan bahwa nanowires melapis nickel foam berlapis dengan padat, membentuk jaringan 3-D yang saling terhubung. Tampilan perbesar (Gambar 1b) mengungkapkan Co-ClNWs berupa jarum (diameter 3–10 nm) yang rata secara terpagar, mempertahankan jalur terbuka untuk masuknya elektrolit. TEM (Gambar 3) mengonfirmasi sifat nanokristal tunggal nanowires, dengan spasi irisan jaring 0,508 nm (17,4°), cocok dengan bidang (100) Co(CO₃)₀.₃₅Cl₀.₂₀(OH)₁.₁₀ (JCPDS 38-0547). Permukaan mesopor (Gambar 3d–e) menawarkan ukuran pori > 2 nm, meningkatkan difusi ion. XRD (Gambar 4a) dan XPS (Gambar 4b–d) memverifikasi kemurnian fase dan kehadiran Co²⁺/Co³⁺, Cl⁻, dan grup karbonat. Spektra Raman (Gambar 4e) menampilkan puncak karakteristik pada 95, 813, 1045, dan 1554 cm⁻¹, mengonfirmasi komposisi kimia. N₂ serapan (Gambar 4f) menunjukkan isotherma tipe IV dengan histeresis H3, mengindikasikan pori mezo- dan makro yang melimpah; luas permukaan BET sekitar 5 m² g⁻¹, modest namun dikompensasi oleh kristalinitas tinggi dan sit aktif.

Kinerja Elektrokimia Elektroda Co-ClNWs(E)

Kurva CV (Gambar 5a) elektroda Co-ClNWs(E) menunjukkan puncak redoks simetris pada laju skan 2–20 mV s⁻¹, mengonfirmasi perilaku pseudokapasitif. Kurva GCD (Gambar 5b) menghasilkan kapasitansi spesifik 975, 950, 900, 825, dan 640 F g⁻¹ pada 1–8 A g⁻¹, masing-masing. EIS (Gambar 5d) menunjukkan diameter lingkaran semi sekitar 2 Ω, yang mengindikasikan resistensi transfer muatan yang sedang. Setelah 500 siklus (Gambar 5e), bentuk CV tetap tidak berubah, mengindikasikan stabilitas siklus yang kuat.

Kinerja Elektrokimia Elektroda Co-ClNWs(NiE)

Co-ClNWs(NiE) memberikan kinerja unggul: kurva CV (Gambar 6a) mempertahankan puncak redoks yang jelas hingga 20 mV s⁻¹. GCD pada 1 A g⁻¹ (Gambar 6b) menunjukkan plat forming yang mengonfirmasi reaksi Faradaik, dan kapasitansi spesifik 2150 F g⁻¹—lebih dari dua kali dari Co-ClNWs(E). Pada laju lebih tinggi, kapasitansi 1985, 1872, 1599, dan 944 F g⁻¹ diamati pada 2, 3, 5, dan 8 A g⁻¹, masing-masing, menunjukkan kemampuan laju yang luar biasa. Stabilitas siklus (Gambar 6d) mempertahankan 94,3 % setelah 500 siklus. EIS (Gambar 6f) mengungkapkan resistensi seri yang lebih rendah dan kemiringan frekuensi rendah yang lebih curam setelah siklus, mengindikasikan difusi ion yang ditingkatkan.

ASC yang dirangka dengan Co-ClNWs(NiE) sebagai elektroda positif dan AC sebagai elektroda negatif beroperasi pada 1,6 V. Pengukuran CV (Gambar 6g) dan GCD (Gambar 6i) menunjukkan kapasitansi spesifik 117,5 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, densitas energi 41,8 W h kg⁻¹ pada 1280 W kg⁻¹, dan 21,2 W h kg⁻¹ pada 6397 W kg⁻¹ (8 A g⁻¹), melampaui banyak laporan terbaru [45–46].

Kesimpulan

Kami telah mengembangkan elektroda Co-ClNWs(NiE) bebas perekat melalui metode hidrotermal satu langkah. Elektroda mencapai kapasitansi spesifik 2150 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, mempertahankan 94,3 % setelah 500 siklus, dan menghasilkan densitas energi 41,8 W h kg⁻¹ pada 1280 W kg⁻¹. Hasil ini menyoroti nanowires Co(CO₃)₀.₃₅Cl₀.₂₀(OH)₁.₁₀ sebagai kandidat yang menjanjikan untuk superkapasitor energi tinggi, dan menunjukkan bahwa pertumbuhan langsung pada nickel foam memaksimalkan penggunaan sit aktif dan konduktivitas elektroda.

Singkatan

ASC:

Superkapasitor asimetris

Co-ClNWs:

Nanowires hidroksida kobalt karbonat doped klorin

Co-ClNWs(E):

Co-ClNWs menempel pada nickel foam melalui PTFE

Co-ClNWs(NiE):

Co-ClNWs yang ditumbuhkan secara langsung pada nickel foam

CV:

Voltametri siklik

EDLCs:

Kapasitor lapisan ganda listrik

GCD:

Charge-discharge galvanostatis

MBT and MAT:

Spektrum impedansi elektrokimia sebelum (MBT) dan setelah (MAT) siklus