Elektroda Superkapasitor Berkinerja Tinggi: Diatomit Dikelilingi FeOOH Hierarkis

Abstrak

Lapisan nanosheet FeOOH ditumbuhkan secara seragam pada diatomit pori melalui rute hidrotermal dua tahapan. Pengkalian kemudian dilakukan pada atmosfer yang dikontrol untuk menghasilkan struktur nanostructur α‑Fe₂O₃ dan γ‑Fe₂O₃, memungkinkan perbandingan sistematis perilaku elektrokimiawi mereka dalam larutan Na₂SO₄ 1 M. Komposit diatomit@FeOOH menunjukkan kapasitas spesifik tertinggi sebesar 157,9 F g⁻¹ pada 0,5 A g⁻¹ dan mempertahankan 98,95 persen kapasitasnya setelah 1.000 siklus, menekankan potensialnya sebagai elektroda superkapasitor generasi mendatang. Strategi ini juga dapat diterapkan pada oksida logam transisi lain untuk penyimpanan dan konversi energi.

Latar Belakang

Superkapasitor menghadapi dua hambatan utama: densitas energi yang terbatas dan biaya produksi yang tinggi. Oksida logam transisi, terutama MnO₂, NiO, CuO, dan FeOOH, telah muncul sebagai bahan elektroda yang menjanjikan karena kapasitas teoretis tinggi dan ramah lingkungan. Namun, oksida dan hidroksida besi terhambat oleh luas permukaan rendah dan konduktivitas buruk. Nanostrukturisasi dapat mengatasi kelemahan ini dengan meningkatkan luas permukaan, menyederhanakan jalur difusi ion, dan mempercepat reaksi redoks. Namun, nanoparticle oksida besi cenderung mengagregasi, mengurangi keunggulan elektrokimiawnya. Solusi yang layak adalah menangguhkan struktur-struktur ini pada templat pori, sehingga menjaga dispersi dan meningkatkan kontak antarmuka.

Diatomit, bahan silika alami yang melimpah dan sangat pori, menawarkan rangka yang stabil secara kimiawi, rendah densitas, dan luas permukaan spesifik yang besar. Dengan melapisi diatomit dengan oksida/hidroksida besi, seseorang dapat mencapai arsitektur pori hierarkis yang mengurangi agregasi dan meningkatkan transportasi ion—pendekatan yang jarang dieksplorasi dalam penelitian superkapasitor.

Bagian Eksperimental

Sintesis Bahan

Semua reagen adalah kelas analitis. Sintesis dilakukan dalam dua tahap, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 1. Pertama, diatomit alami dipurnikan dengan protokol minyak mandi. Diatomit yang dihiasi MnO₂ kemudian disintesis secara hidrotermal: 30 mL KMnO₄ 0,05 M dicampur dengan 30 mg diatomit yang telah dipurnikan dan dipanaskan pada 160 °C selama 24 jam dalam autoklav Teflon berkapasitas 50 mL. Produk dicuci, di sentrifugasi, dan dikeringkan pada 60 °C.

Selanjutnya, 30 mg diatomit yang dihiasi MnO₂ dirawat dengan 30 mL FeSO₄·7H₂O 0,01 M pada 120 °C selama 2 jam, mengganti MnO₂ dengan FeOOH. Pengkalian menghasilkan dua oksida besi yang berbeda: α‑Fe₂O₃ pada 350 °C (2 jam, atmosfer O₂) dan γ‑Fe₂O₃ pada 500 °C (2 jam, atmosfer N₂).

Karakterisasi

Morfoologi diperiksa dengan Zeiss Auriga FIB/SEM. Identifikasi fase menggunakan difraksi sinar X bubuk (XRD, Cu Kα, D/max 2500). Pengukuran elektrokimia dilakukan pada sel tiga elektroda standar menggunakan Na₂SO₄ 1 M. Elektroda kerja terdiri dari bahan aktif (2 mg) dicampur dengan hitam asetilena dan PVDF (7:2:1 menurut berat) dalam NMP, dicetak pada nickel foam berukuran 1 × 1 cm², dan dikeringkan pada 120 °C selama 12 jam. Volametri siklik (CV), pengisian dan pengosongan galvanostatis (GCD), dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) menilai performa.

Perhitungan Elektrokimia

Kapasitas spesifik (C_m) dihitung dari kurva GCD: C_m = (I Δt)/(m ΔV), di mana I adalah arus pengosongan, Δt adalah waktu pengosongan, ΔV adalah jendela potensial, dan m adalah massa bahan aktif.

Hasil dan Pembahasan

Gambar SEM (Gambar 2) menunjukkan nanosheet MnO₂ seragam pada diatomit, yang sepenuhnya diganti oleh FeOOH setelah langkah pertukaran ion. Nanosheet α‑Fe₂O₃ lebih besar dan lebih terjarak dibandingkan γ‑Fe₂O₃, seperti yang ditunjukkan dalam gambar dengan pembesaran lebih rendah. Pemetaan EDS mengonfirmasi ketidakadaan Mn dalam FeOOH, mengukir transformasi yang lengkap. Pola XRD (Gambar 2e) mengonfirmasi fase kristalografis: MnO₂ (JCPDS 44‑0141), FeOOH (JCPDS 29‑0713), α‑Fe₂O₃ (JCPDS 33‑0664), dan γ‑Fe₂O₃ (JCPDS 33‑0664). Hilangnya puncak MnO₂ dalam sampel FeOOH, α‑Fe₂O₃, dan γ‑Fe₂O₃ mengonfirmasi substitusi yang berhasil.

Uji elektrokimia (Gambar 3) menunjukkan bahwa diatomit@FeOOH unggul dibandingkan dengan sejenis MnO₂ dan oksida besi lainnya. Pada 0,5 A g⁻¹, ia memberikan 157,9 F g⁻¹, melebihi komposit lainnya dengan selisih yang signifikan. Performa unggul ini berasal dari nanosheet yang terdistribusi baik, porositas tinggi, dan jalur ion yang efisien yang disediakan oleh rangka diatomit. Stabilitas siklus adalah luar biasa: setelah 1.000 siklus GCD pada 1 A g⁻¹, retensi kapasitas adalah 98,95 persen. EIS menunjukkan resistensi seri rendah (~3 Ω) dan peningkatan minimal dalam resistensi transfer muatan setelah siklus, menunjukkan kinetik antarmuka yang kuat.

Kesimpulan

Kami telah mengembangkan metode hidrotermal yang mudah untuk menyintesis diatomit yang dihiasi FeOOH hierarkis dengan morfoologi nanosheet yang telah disesuaikan dengan baik. Elektroda diatomit@FeOOH yang dihasilkan menunjukkan kapasitas spesifik tinggi sebesar 157,9 F g⁻¹ pada 0,5 A g⁻¹ dan usia siklus yang baik (98,95 persen setelah 1.000 siklus), melebihi komposit oksida besi serupa. Arsitektur hierarkis ini, yang menggabungkan luas permukaan tinggi dan transportasi elektron/ion yang efisien, memosisikan diatomit@FeOOH sebagai bahan aktif yang menjanjikan untuk superkapasitor berkinerja tinggi. Strategi sintesis ini serbaguna dan dapat diperluas ke oksida logam transisi lain untuk berbagai aplikasi penyimpanan energi.

Singkatan

CC

Pengisian dan pengosongan galvanostatis

CV

Volametri siklik

EIS

Spektroskopi impedansi elektrokimia

FIB/SEM

Mikroskopi elektron pemindai sinar ion difokus

NMP

N‑metil‑2‑pirrolidon

PVDF

Polivinilidenida fluorida

XRD

Difraksi sinar X bubuk