Elektroda Core-Shell Tinggi Performa NiO Flakes@CoMoO₄ Nanosheet pada Nickel Foam untuk Superkapasitor Lanjutan
Abstrak
Oksida logam transisi (TMO) telah menarik perhatian sebagai elektroda superkapasitor karena kapasitensi teoretis yang tinggi, kelimpahan, dan ramah lingkungan. Namun, kapasitensi spesifik praktis seringkali tidak mencapai teori, dan perubahan volume selama siklus mengakibatkan ketidakstabilan. Arsitektur core-shell dapat secara sinergis menggabungkan jalur elektron cepat dari inti dengan situs redoks yang berlimpah dari cangkang, mengurangi masalah ini. Di sini, kami melaporkan sintesis hidrotalermal dua tahap NiO flakes@CoMoO₄ nanosheet (NS) yang tumbuh pada nickel foam (NF) untuk membentuk arsitektur core-shell cabang 2-D. CoMoO₄ NS yang tertegak vertikal menyediakan situs aktif yang melimpah, saluran ion yang efisien, dan transportasi elektron yang ditingkatkan. Sebagai elektroda positif, NiO flakes@CoMoO₄ NS/NF memberikan kapasitensi spesifik yang mengesankan 1.097 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹ dan mempertahankan 97,5 % setelah 2.000 siklus. Superkapasitor asimetrik (ASC) yang dirakit dengan AC/NF sebagai elektroda negatif mencapai 25,8 Wh kg⁻¹ pada 894,7 W kg⁻¹, sambil mempertahankan 100 % kapasitas selama 3.000 siklus. Hasil ini menyoroti desain core-shell cabang 2-D sebagai strategi yang ampuh untuk elektroda TMO berkinerja tinggi.
Pendahuluan
Dengan adopsi cepat energi terbaru, permintaan akan solusi penyimpanan energi yang aman, daya tinggi, dan umur panjang semakin meningkat. Superkapasitor, yang menawarkan siklus charge–discharge cepat, densitas daya tinggi, dan keamanan yang kuat, semakin relevan. Secara tradisional, mereka dibedakan menjadi kapasitor lapis ganda listrik (EDLC) dan superkapasitor; yang terakhir menyimpan muatan melalui reaksi redoks permukaan, yang memungkinkan densitas energi yang lebih tinggi.
TMO menarik sebagai material superkapasitor karena kapasitensi teoretis yang tinggi, biaya rendah, dan kompatibilitas lingkungan. Namun, kapasitensi praktis sering terbatas oleh pemanfaatan material yang tidak lengkap dan ekspansi volume selama siklus. Dua strategi efektif untuk mengatasi tantangan ini adalah: (1) pertumbuhan material aktif secara langsung pada substrat konduktif (misalnya, nickel foam) untuk menghilangkan lapisan “mati” dan meningkatkan konduktivitas; (2) rekayasa nanostruktur, seperti arsitektur core-shell, untuk mengeksploitasi jalur transportasi elektron dan ion yang sinergis.
Desain core-shell tradisional, namun, menderita pelindungan cangkang yang membatasi aksesibilitas inti. Untuk mengatasi ini, kami mengembangkan struktur core-shell cabang 2-D di mana CoMoO₄ nanosheet tumbuh secara vertikal pada NiO flakes. Konfigurasi ini memaksimalkan kontak permukaan, meningkatkan jalur elektron, dan menciptakan saluran pori yang mengakomodasi difusi elektrolit dan mengurangi stres selama siklus. Elektroda NiO flakes@CoMoO₄ NS/NF yang dihasilkan menunjukkan performa elektrokimia yang luar biasa, menunjukkan janji dari arsitektur core-shell cabang untuk elektroda superkapasitor generasi mendatang.
Metode
Sintesis NiO Flakes/NF
Nickel foam (NF, 1,5 × 3,5 cm²) pertama kali dirakit dalam 3 M HCl selama 2 jam untuk menghilangkan oksida permukaan, kemudian dikeringkan pada 60 °C selama 12 jam. NF yang telah dirakit direndam dalam 32 mL air deionis dan dipindahkan ke autoclave stainless steel 40 mL. Autoclave dicetuskan dan dipanaskan ke 140 °C selama 24 jam (tahap 1). Setelah pendingin alami, produk dicuci, dikering pada 60 °C, dan dianaling pada 400 °C selama 2 jam (tahap 2) untuk mengonversi β-Ni(OH)₂ menjadi NiO. Prosedur diilustrasikan dalam Gambar 1.
Ilustrasi sintesis elektroda NiO flakes@CoMoO₄ NS
Sintesis NiO Flakes@CoMoO₄ NS/NF
Larutan CoCl₂·6H₂O (65,1 mg) dan Na₂MoO₄·2H₂O (50,8 mg) dalam 23 mL air deionis disiapkan di bawah pengadukan. NiO flakes/NF direndam selama 30 menit, kemudian ditempatkan dalam autoclave 40 mL dan dipanaskan ke 160 °C selama 6 jam (tahap 3). Pengolahan pasca melibatkan pembersihan ultrasonik, pengeringan vakum pada 60 °C selama 12 jam, dan analing akhir pada 400 °C selama 2 jam (tahap 4) untuk membentuk NiO flakes@CoMoO₄ NS/NF. CoMoO₄ flakes/NF dibuat secara serupa tetapi menggunakan NF polos.
Karakterisasi Material
Diffraksi X-ray (Rigaku D/Max-02400, Cu Kα) mengonfirmasi kemurnian fasa. FESEM (Zeiss Gemini, Hitachi SU8100) dan HRTEM (JEM-2100F) mengungkapkan morfologi dan struktur kristal. XPS (Thermo ESCALAB 250Xi) mengidentifikasi status elemen. Analisis Brunauer–Emmett–Teller (BET) (BELSORP-max) mengukur luas permukaan spesifik dan porositas.
Pengukuran Elektrokimia
Semua uji elektrokimia menggunakan workstation μIII Autolab dalam 6 M KOH. Uji tiga elektroda menggunakan Ag/AgCl terjenuh (referensi) dan foil Pt (counter), dengan NiO flakes@CoMoO₄ NS/NF sebagai elektroda kerja (1 cm²). GCD dan CV mengukur kapasitansi; EIS mencakup 100 kHz–0,01 Hz. Beban massa ditentukan dari perubahan berat sebelum dan setelah sintesis (0,79 mg cm⁻² untuk NiO flakes, 1,14 mg cm⁻² untuk CoMoO₄ NS, 1,93 mg cm⁻² untuk komposit). Sel ASC menggunakan 6 M KOH dengan NiO flakes@CoMoO₄ NS/NF sebagai elektroda positif dan AC/NF sebagai elektroda negatif. Neraca massa mengikuti persamaan (2) untuk mencocokkan kapasitas charge dari setiap elektroda.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi
Pola XRD (Gambar 2a) mengonfirmasi pembentukan NiO setelah analing dan munculnya puncak CoMoO₄ pada 26,5°, 29,1°, 32,1°, dan 33,7°, yang sesuai dengan bidang (002), (310), (±1 31), dan (±2 22). Tidak ada puncak asing yang muncul, mengonfirmasi kemurnian fasa. Spektrum XPS (Gambar 2b–f) menunjukkan Co²⁺/Co³⁺, Mo⁶⁺, Ni²⁺/Ni³⁺, dan oksigen jaring, memverifikasi pembentukan komposit yang berhasil.
a Pola XRD Ni(OH)₂ flakes/NF (kurva a), NiO flakes/NF (kurva b), dan NiO flakes@CoMoO₄ NS/NF (kurva c). b Survei XPS. c Co 2p. d Mo 3d. e Ni 2p. f O 1s.
Citra SEM (Gambar 3a–i) mengungkapkan evolusi dari Ni(OH)₂ flakes pori ke NiO flakes dengan fitur mesopori, dan akhirnya ke CoMoO₄ nanosheet cabang yang mencakup flakes secara padat. HRTEM mengonfirmasi jarang jaring kristal 0,242 nm dan 0,148 nm untuk NiO (111 dan 220) dan 0,199 nm/0,196 nm untuk CoMoO₄ (± 4 03 dan ± 5 11). Analisis BET (Gambar 4g–i) menunjukkan luas permukaan spesifik 28,2, 45,3, dan 53,5 m² g⁻¹ untuk Ni(OH)₂, NiO, dan komposit, masing-masing, dengan ukuran pori rata-rata 6,13, 6,57, dan 4,16 nm. Luas permukaan yang lebih tinggi dan pori yang lebih kecil dalam komposit memfasilitasi akses elektrolit dan transportasi ion.
Citra SEM a–c Ni(OH)₂ flakes/NF, d–f NiO flakes/NF, dan g–i NiO flakes@CoMoO₄ NS/NF dengan pembesaran berbeda.
Citra HRTEM a, b Ni(OH)₂ flakes, c, d NiO flakes, e, f NiO flakes@CoMoO₄ NS; g–i isoterm adsorpsi–desorpsi nitrogen dari Ni(OH)₂ flakes/NF, NiO flakes/NF, dan NiO flakes@CoMoO₄ NS/NF, masing-masing. Inset dari (g–i) adalah distribusi ukuran pori yang sesuai.
Performa Elektrokimia NiO@CoMoO₄/NF
Kapasitensi spesifik dihitung menggunakan Eq. (3). Komposit mencapai 1.097 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, yang jauh lebih tinggi daripada NiO flakes (349 F g⁻¹) dan CoMoO₄ flakes (316 F g⁻¹). Kapasitansi tetap di atas 500 F g⁻¹ bahkan pada 10 A g⁻¹, yang menunjukkan kemampuan laju yang baik. Kurva CV (Gambar 5b) menunjukkan puncak redoks yang mencolok dan luas terpampang yang besar, mengonfirmasi perilaku pseudo-kapasitor. Kurva GCD (Gambar 5c) menunjukkan bentuk simetris dan waktu pengosongan yang panjang. Struktur cabang 2-D menyediakan situs aktif yang berlimpah dan jalur difusi ion yang pendek, meningkatkan performa (Gambar 5f).
a Kurva GCD pada waktu reaksi berbeda (2 jam, 4 jam, 6 jam, 8 jam) pada 1 A g⁻¹. b Kurva CV NiO flakes/NF, CoMoO₄ flakes/NF, dan NiO flakes@CoMoO₄ NS/NF pada 100 mV s⁻¹. c Kurva GCD dari ketiga elektroda pada 1 A g⁻¹. d Kurva CV komposit pada berbagai laju pemindaian. e Kurva GCD pada berbagai densitas arus. f Skematis keuntungan struktural. g Stabilitas siklus hingga 2.000 siklus. h Spektra EIS.
Setelah 2.000 siklus pada 2 A g⁻¹, komposit mempertahankan 97,5 % kapasitansi awalnya, sedangkan NiO flakes dan CoMoO₄ flakes turun menjadi 82,4 % dan 70 %, masing-masing. Analisis EIS menunjukkan resistensi seri lebih rendah (0,4 Ω) dan resistensi transfer muatan (0,21 Ω) untuk komposit dibandingkan konstituennya, menekankan kinetika elektron yang unggul.
Performa ASC (NiO Flakes@CoMoO₄ NS/NF//AC/NF)
ASC beroperasi pada jendela 1,8 V (Gambar 6a). Kurva CV (Gambar 6b) mengungkapkan perilaku EDLC dari AC dan pseudo-kapasitansi dari komposit, dan perangkat mempertahankan bentuk pada laju pemindaian tinggi. Kurva GCD (Gambar 6d) pada 1–5 A g⁻¹ menghasilkan densitas energi 25,8 Wh kg⁻¹ pada 894,7 W kg⁻¹, dan masih menyampaikan 16,8 Wh kg⁻¹ pada 4.500 W kg⁻¹. Satu LED yang dinyalakan selama 10 menit menunjukkan aplikabilitas praktis. ASC menunjukkan retensi kapasitas 100 % setelah 3.000 siklus pada 5 A g⁻¹, dengan perubahan morfologi yang dapat diabaikan (Gambar 6f).
a Struktur ASC. b CV NiO flakes@CoMoO₄ NS/NF dan AC. c CV ASC pada berbagai laju pemindaian. d GCD ASC pada berbagai densitas arus. e Plot Ragone dibandingkan dengan elektroda NiO/CoMoO₄ lainnya. f Stabilitas siklus selama 3.000 siklus. Inset: SEM sebelum/setelah siklus.
Kesimpulan
Kami berhasil membuat elektroda core-shell NiO flakes@CoMoO₄ nanosheet pada nickel foam melalui rute hidrotalermal dua tahap. Arsitektur cabang 2-D memberikan kapasitensi spesifik tinggi 1.097 F g⁻¹, resistensi transfer muatan rendah, dan stabilitas siklus yang luar biasa (97,5 % setelah 2.000 siklus). Quando dipasangkan dengan AC, ASC yang dihasilkan mencapai 25,8 Wh kg⁻¹ pada 894,7 W kg⁻¹ dan mempertahankan kapasitas penuh selama 3.000 siklus. Temuan ini mengonfirmasi bahwa desain core-shell cabang dapat membuka potensi penuh TMO untuk superkapasitor berkinerja tinggi.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data sepenuhnya tersedia tanpa keterbatasan.
