Sintesis Hidrothermal Bantuan Albumin Telur untuk Kubus Quasi Mesoporos Co₃O₄: Elektroda Superkapasitor Berkinerja Tinggi

Abstrak

Kami melaporkan rute dua tahap yang mudah untuk sintesis kubus quasi Co₃O₄ mesoporos dengan menggunakan albumin telur sebagai bio-surfaktan selama perlakuan hidrotermal diikuti oleh kalinasi pada 300 °C. Kubus yang dihasilkan menunjukkan arsitektur berlapis, diameter pori rata-rata 5,58 nm, dan luas permukaan Brunauer–Emmett–Teller sebesar 80,3 m²/g. Cuando dirakit sebagai elektroda kerja dan diuji dalam 2 M KOH, materi ini menyediakan kapasitensi spesifik 754 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, mempertahankan 77 persen dari nilai ini pada 10 A g⁻¹, dan mempertahankan 86,7 persen kapasitensi setelah 4.000 siklus charge–discharge berkelanjutan pada 5 A g⁻¹. Hasil ini menunjukkan bahwa kubus quasi Co₃O₄ yang dibantu albumin telur adalah elektroda yang menjanjikan untuk superkapasitor generasi mendatang.

Pendahuluan

Elektrifikasi yang cepat dan dorongan untuk energi bersih memerlukan solusi penyimpanan energi canggih yang menggabungkan daya tinggi, umur panjang, dan biaya rendah. Superkapasitor, atau kapasitor elektrokimia, memenuhi kriteria ini dengan menyediakan siklus charge–discharge yang cepat dan stabilitas siklus yang kuat. Kinerjanya, namun, terbatas oleh properti intrinsik materi elektroda—secara khusus, luas permukaan, porositas, dan konduktivitas elektron.

Oksida logam transisi (TMO) seperti Co₃O₄ menarik karena status oksidasi ganda mereka, yang memungkinkan reaksi redoks pseudokapasitif yang cepat. Meskipun kapasitensi teoretis ~3.560 F g⁻¹, elektroda Co₃O₄ praktis seringkali di bawah 1.000 F g⁻¹ karena konduktivitas elektron yang buruk dan perubahan volume selama siklus.

Nanostruktur Co₃O₄ menjadi morfologi mesoporos dengan luas permukaan tinggi dapat meningkatkan akses elektrolit dan memendekkan jalur difusi ion, sehingga meningkatkan pemanfaatan situs aktif. Surfaktan konvensional dapat mengontrol morfologi, namun bio-surfaktan seperti albumin telur menawarkan ramah lingkungan, biaya rendah, dan kapasitas pengikatan logam yang kuat, yang memungkinkan penyesuaian presisi nanostruktur.

Bahan dan Metode

Bahan

Urea kelas analitik, asetat kobalt(II) tetrahydrat, dan albumin telur (telur segar) digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.

Persiapan Kubus Quasi Co₃O₄ Poros

Campuran 3 mL albumin telur, 2,4 g urea, dan 0,3 g asetat kobalt(II) dilarutkan dalam 37 mL air deionisasi di bawah pengadukan kuat. Larutan dicap dalam autoklav 50 mL dan dipanaskan pada 140 °C selama 5 jam. Hasil presipitat dicuci, dikeringkan pada 60 °C selama malam, dan kemudian dikalinasi pada 300 °C selama 5 jam di udara untuk menghasilkan bubuk Co₃O₄. Variasi waktu hidrotermal (1–24 jam) dan volume albumin (0–5 mL) dieksplorasi untuk mengoptimalkan morfologi.

Pembuatan Elektroda dan Pengujian Elektrokimia

Materi aktif (80 persen berat), hitam asetilen (15 persen berat), dan pengikat PVDF (5 persen berat) dicampur dan dispersi dalam N-metil-2-pironidon di bawah ultrasonik. Slurry dilapisi pada foam nikel 1 × 1 cm², dikeringkan pada 85 °C, dan ditekan pada 10 MPa untuk membentuk elektroda kerja. Sel tiga elektroda (Pelawan Pt, referensi SCE) dengan elektrolit 2 M KOH digunakan untuk voltametri siklik (−0,1 V hingga 0,65 V, 2–50 mV s⁻¹), kronopotensiometri (1–10 A g⁻¹), dan spektroskopi impedansi elektrokimia (0,01–100 kHz, 5 mV). Kapasitensi spesifik dihitung dari kurva pengosongan melalui C_s = I·Δt / (m·ΔV).

Karakterisasi

Difraksi sinar X mengonfirmasi fase spinel kubik Co₃O₄ (JCPDS No. 43-1003) tanpa terdeteksi pengotoran. Citra SEM mengungkapkan kubus 5–6 µm yang terdiri dari lapisan nanostapel, sementara TEM menunjukkan lapisan yang dirangkap oleh nanopartikel yang membentuk kerangka poros. Spektra Raman menunjukkan mode karakteristik pada 468, 509, 611, dan 675 cm⁻¹, yang konsisten dengan Co₃O₄. Analisis XPS menunjukkan status Co³⁺ dan Co²⁺, yang mengonfirmasi sifat valensi bercampur yang esensial untuk pseudokapasitansi.

Analisis BET menghasilkan luas permukaan spesifik 80,3 m² g⁻¹ dan diameter pori rata-rata 5,58 nm (utamanya 4,0 nm), yang menunjukkan jaringan mesoporos yang baik yang memfasilitasi transportasi ion.

Hasil dan Pembahasan

Pengaruh Albumin Telur dan Waktu Hidrotermal

Tanpa albumin, produk membentuk nanosheet Co₃O₄. Penambahan 1 mL albumin menghasilkan kubus quasi yang terdefinisi dengan baik (~3–10 µm). Peningkatan albumin menjadi 3–5 mL mempertahankan morfologi kubus tetapi mengurangi ukuran menjadi 3–4 µm, yang menyoroti peran albumin dalam mengarahkan pertumbuhan melalui koordinasi logam-protein dan ikatan hidrogen.

Waktu hidrotermal pendek (<2 jam) menghasilkan nanopartikel tidak teratur; 5 jam cukup untuk membentuk kubus lengkap, dengan sedikit perubahan yang diamati pada 15–24 jam, yang mengindikasikan bahwa 5 jam adalah durasi optimal untuk pertumbuhan seragam.

Kinerja Elektrokimia

Kurva CV kubus quasi menunjukkan puncak redoks yang terdefinisi dengan baik, yang mengonfirmasi pseudokapasitansi. Nilai kapasitensi spesifik adalah 754, 712, 683, 641, 614, dan 581 F g⁻¹ pada 1–10 A g⁻¹, masing-masing. Retensi 77 persen pada 10 A g⁻¹ mencerminkan kemampuan laju yang unggul, sementara retensi kapasitansi 86,7 persen setelah 4.000 siklus pada 5 A g⁻¹ menunjukkan stabilitas siklus yang luar biasa.

Dibandingkan dengan nanosheet Co₃O₄ (yang menghasilkan 559–452 F g⁻¹ dalam kondisi yang sama), kubus quasi menunjukkan kinerja yang lebih baik karena luas permukaan yang lebih besar, mesoporositas, dan struktur berlapis yang memfasilitasi transportasi elektron dan ion yang cepat.

Analisis Impedansi

Plot Nyquist menunjukkan semi-lingkaran kecil (<7 Ω) dan garis hampir vertikal pada frekuensi rendah, yang menunjukkan resistensi transfer muatan yang rendah dan karakteristik difusi yang baik. Kubus quasi memiliki resistensi transfer muatan yang sedikit lebih tinggi dibandingkan nanosheet, namun impedansi keseluruhan tetap rendah, yang mendukung kinerja laju yang tinggi.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan sintesis hijau dan dapat diskalakan kubus quasi Co₃O₄ mesoporos menggunakan albumin telur sebagai surfaktan alami. Elektroda yang dihasilkan menyediakan kapasitensi spesifik 754 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, mempertahankan 77 persen pada 10 A g⁻¹, dan mempertahankan 86,7 persen kapasitensi setelah 4.000 siklus. Kombinasi luas permukaan tinggi, mesoporositas, dan integritas struktural yang kuat menjadikan materi ini kandidat yang menjanjikan untuk superkapasitor canggih. Strategi bantuan albumin telur dapat diperluas ke oksida logam lainnya untuk memperluas kotak alat materi elektroda berkinerja tinggi.