Sintesis Nanokandang Ni(OH)₂ Kubik melalui Etching–Pendawaian Koordinasi untuk Kinerja Superkapasitor Unggul
Abstrak
Hidroksida logam transisi dapat mencapai potensi elektrokimia penuh ketika dirangka ke dalam arsitektur seperti kandang. Di sini, kami melaporkan strategi Etching–Pendawaian Koordinasi (CEP) satu tahap yang mengubah templat Cu₂O kubik menjadi nanokandang (NC) Ni(OH)₂ berlubang. NC yang dihasilkan memiliki situs aktif yang melimpah, porositas tinggi, dan cakungan tipis serta seragam yang memfasilitasi transportasi elektron dan ion yang cepat. Sebagai elektroda positif, Ni(OH)₂ NCs/Ni-foam memberikan 539,8 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹ dan mempertahankan 96,9 % kapasitansinya setelah 2000 siklus. Dalam superkapasitor asimetrik (ASC) yang dipadankan dengan karbon aktif, perangkat mencapai 23,3 Wh kg⁻¹ pada 800 W kg⁻¹, yang lebih unggul satu tingkat orde daripada sejenis nanokandang pecah konvensional. Temuan ini menekankan pentingnya nanostruktur seperti kandang untuk material penyimpanan energi generasi mendatang.
Latar Belakang
Keberlanjutan lingkungan menuntut penyimpanan energi berkinising tinggi dan rendah karbon. Superkapasitor, dengan densitas daya tinggi, pengisian/pengosongan cepat, dan kimia yang baik, memenuhi kriteria ini. Material pseukapasitor berbasis hidroksida logam transisi, terutama Ni(OH)₂, menarik karena pasangan redoks Ni³⁺/Ni²⁺ yang reversibel dalam media basa. Namun, Ni(OH)₂ massa menderi luas permukaan aktif yang terbatas dan difusi ion yang lambat, yang mengakibatkan kapasitansi spesifik jauh di bawah batas teoretis.
Rekayasa morfologi mikro- dan nanoskala dari Ni(OH)₂ menawarkan jalan untuk mengatasi keterbatasan ini. Struktur berlubang seperti kandang memaksimalkan luas permukaan, mengekspos aspek dalam dan luar, dan menciptakan saluran ion lurus, sehingga mempercepat transfer muatan dan meningkatkan stabilitas siklus. Etching dan pendawaian terkoordinasi—di mana templat pengorbanan dilarutkan secara bersamaan dan material target diendapkan—telah muncul sebagai rute serbaguna untuk arsitektur seperti itu.
Metode/Eksperimen
Sintesis Templat Cu₂O
Kubus Cu₂O (∼500 nm tepi) disiapkan dengan reaksi air satu tahap: CuCl₂·2H₂O (0,01 M) diaduk dalam NaOH 2 M pada 55 °c, diikuti oleh penambahan bertitik asam asbat 0,6 M. Endapan diusap, dicuci, dan dikeringkan di bawah vakum.
Pembuatan NC Ni(OH)₂
Dalam campuran air–etanol 1:1, templat Cu₂O (400 mg) dicampur dengan NiCl₂·6H₂O (80–320 mg, mengontrol rasio Cu₂O:NiCl₂). Setelah sonikasi 10 menit dan penambahan 13,2 mg PVP, 160 mL Na₂S₂O₃ 1 M ditambahkan bertitik. Campuran diaduk selama 3 jam pada suhu ruangan, kemudian diusap dan dikeringkan. Kontrol nanokandang pecah (BNC) dihasilkan dengan sonikasi NC dalam alkohol selama 2 jam.
Karakterisasi
XRD (Rigaku D/Max-2400), XPS (ESCALAB 250Xi), FESEM (Zeiss Gemini 300), TEM (FEI F20), dan luas permukaan BET (Belsort-max) digunakan untuk mengonfirmasi keurnaan fase, morfologi, dan porositas.
Pengujian Elektrokimia
Semua pengukuran dilakukan dalam KOH 3 M menggunakan sel tiga elektroda (kontra Pt, referensi Ag/AgCl). Elektroda kerja terdiri dari 80 % Ni(OH)₂, 15 % hitam asetilena, dan 5 % PTFE pada Ni-foam (1 cm²) dengan pemuatan 3,4 mg cm⁻². Voltametri siklik (CV), pengisian/pengosongan galvanostatis (GCD), dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS, 0,01–100 kHz) dilakukan pada sistem Autolab μIII. Perangkat ASC dirangkot dengan Ni(OH)₂ NCs/NF sebagai elektroda positif dan karbon aktif (AC)/NF sebagai elektroda negatif, dipisahkan oleh kertas selulosa dan direndam dalam KOH 3 M.
Hasil dan Pembahasan
Analisis Struktural
Pola XRD mengonfirmasi β-Ni(OH)₂ heksagonal (JCPDS 14-0117). XPS menunjukkan sinyal Ni²⁺ pada 856,1 eV (Ni 2p₃/₂) dan 873,7 eV (Ni 2p₁/₂), dengan satelit yang sesuai, dan puncak O 1s pada 531,2 eV yang menunjukkan ikatan Ni–O–Ni.
a XRD Ni(OH)₂ NCs; b–d Spektra XPS (survei, Ni 2p, O 1s).
SEM/TEM mengungkap kandang kubik (∼500 nm tepi) dengan cakungan poros tebal 50 nm dan ruang internal, yang mengonfirmasi arsitektur berlubang. Analisis BET menunjukkan luas permukaan 54,7 m² g⁻¹ dan distribusi mesopor yang berpusat pada 2,7–6,1 nm, yang lebih unggul daripada 38,1 m² g⁻¹ dari BNCs.
Performa Elektrokimia
Pada 1 A g⁻¹, Ni(OH)₂ NCs/NF memberikan 539,8 F g⁻¹, dibandingkan dengan 87,3 F g⁻¹ untuk BNCs/NF. Kapasitansi tetap 96,9 % setelah 2000 siklus pada 8 A g⁻¹. NC menunjukkan resistensi transfer muatan yang lebih rendah (120,8 Ω vs. 976,5 Ω) dan kemiringan Warburg yang lebih curam, yang menunjukkan difusi ion yang cepat.
a Kurva GCD; b CV pada 60 mV s⁻¹; c CV pada laju sken yang berbeda; d Perbandingan GCD; e GCD pada arus yang berbeda; f Skematis penyimpanan muatan; g Stabilitas siklus; h Spektra EIS.
Performa Perangkat ASC
Sel asimetrik (Ni(OH)₂ NCs/NF//AC) beroperasi pada 1,6 V. Ini memberikan 23,3 Wh kg⁻¹ pada 800 W kg⁻¹ dan mempertahankan 9,6 Wh kg⁻¹ pada 8000 W kg⁻¹. Setelah 2000 siklus pada 4 A g⁻¹, kapasitansi adalah 90,1 % dari nilai awal. Citra SEM mengonfirmasi preservasi morfologi kandang setelah siklus.
a Skematis ASC; b CV elektroda individu; c CV ASC; d Kurva GCD; e Stabilitas siklus; f SEM sebelum/sesudah siklus.
Kesimpulan
Nanokandang Ni(OH)₂ kubik yang berasal dari CEP menggabungkan luas permukaan tinggi, cakungan poros tipis, dan ruang terdefinisi dengan baik untuk mencapai kapasitansi spesifik dan densitas energi yang rekor untuk superkapasitor asimetrik. Stabilitas siklus yang luar biasa dan sintesis yang dapat diskalakan memosisikan mereka sebagai kandidat kuat untuk sistem penyimpanan energi generasi mendatang.
