Hidroksida ganda lapisan sebagai bahan elektroda superkapasitor tipikal dapat menunjukkan performa penyimpanan energi yang unggul jika strukturnya diatur dengan baik. Dalam karya ini, metode hidrotermal satu langkah sederhana digunakan untuk menyiapkan berbagai hidroksida ganda lapisan nikel–kobalt (NiCo-LDHs), di mana berbagai kandungan urea digunakan untuk mengatur berbagai struktur nano NiCo-LDHs. Hasil menunjukkan bahwa penurunan kandungan urea dapat secara efektif meningkatkan disperansi, menyesuaikan ketebalan dan mengoptimalkan struktur pori internal NiCo-LDHs, sehingga meningkatkan performa kapasitansinya. Ketika kandungan urea dikurangi dari 0,03 ke 0,0075 g di bawah rasio massa bahan baku nikel (0,06 g) ke kobalt (0,02 g) tetap 3:1, sampel yang disiapkan NiCo-LDH-1 menunjukkan ketebalan 1,62 nm, dan struktur nanosheet lapisan tipis yang jelas serta sejumlah besar pori permukaan terbentuk, yang bermanfaat untuk transmisi ion ke dalam bahan elektroda. Setelah disiapkan sebagai elektroda superkapasitor, NiCo-LDH-1 menampilkan kapasitansi spesifik ultra-tinggi sebesar 3982,5 F g⁻¹ di bawah densitas arus 1 A g⁻¹ dan retensi kapasitansi di atas 93,6% setelah 1000 siklus pengisian dan pengosongan pada densitas arus tinggi 10 A g⁻¹. Performa elektrokimia yang sangat baik dari NiCo-LDH-1 terbukti dengan merakit superkapasitor asimetrik dua elektroda dengan bola karbon, yang menunjukkan kapasitansi spesifik 95 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹ dengan retensi kapasitansi 78% selama 1000 siklus. Karya saat ini menawarkan cara mudah untuk mengontrol struktur nano NiCo-LDHs, mengonfirmasi pengaruh penting urea pada meningkatkan performa kapasitif untuk elektroda superkapasitor dan memberikan kemungkinan tinggi untuk pengembangan superkapasitor berkinerja tinggi.
Pendahuluan
Sebagai perangkat penyimpanan energi yang ramah lingkungan, superkapasitor menarik banyak perhatian karena keuntungan uniknya termasuk siklus hidup panjang, reversibilitas yang unggul, densitas daya tinggi dan keandalan yang luar biasa [1,2,3]. Dalam beberapa tahun terakhir, telah diterapkan secara potensial dalam banyak aplikasi yang menjanjikan seperti mobil listrik, perangkat wearable pintar dan komputer portabel, yang sangat penting untuk penggunaan dan penyimpanan energi di masa depan. Namun, densitas energi yang lebih rendah dari superkapasitor selalu merupakan alasan penting yang membatasi pengembangan lebih lanjut. Hal yang umum diketahui bahwa faktor krusial untuk menentukan kapasitas superkapasitor adalah properti elektrokimia bahan elektroda. Oleh karena itu, solusi utama saat ini adalah mengembangkan bahan elektroda dengan properti elektrokimia yang unggul [4,5,6,7,8,9]. Bahan karbon [10,11,12,13], oksida logam transisi [14], hidroksida logam transisi (TMHs) [15,16,17] dan polimer konduktif [18] adalah bahan utama yang digunakan sebagai elektroda superkapasitor. Di antara mereka, nanomaterial hibrid multiguna dari TMHs telah menjadi tren eksplorasi yang kuat karena adanya efek sinergi, kontrol komposisi kimia yang unggul, aktivitas redox yang luar biasa dan performa pertukaran anion yang baik. Sebagai TMH tipikal, hidroksida nikel–kobalt disukai karena harganya murah, proses persiapan yang sederhana dan kapasitansi teoretis yang tinggi. Namun, masih merupakan tantangan besar untuk mendapatkan bahan elektroda berkinerja tinggi dari hidroksida nikel–kobalt dengan metode sederhana.
Properti elektrokimia hidroksida nikel–kobalt sangat bergantung pada struktur nano morfologi khusus [19,20,21,22,23] dan komposisi ion logam [24, 25]. Dalam studi sebelumnya, Wu et al. [26] sintesis array nanosheet lapisan ganda nikel–kobalt pori hierarkis yang didopi vanadium yang menyediakan kapasitansi spesifik tinggi sebesar 2960 F g⁻¹ pada densitas arus 1 A g⁻¹. Yan et al. [27] merancang mikrosfer hollow hidroksida ganda lapisan nikel–kobalt dengan morfologi bunga hortensia, yang menunjukkan kapasitansi spesifik 2158,7 F g⁻¹ pada densitas arus 1 A g⁻¹. Upaya lain dilakukan untuk mengurangi resistensi, meningkatkan konduktivitas listrik bahan elektroda dan mendapatkan morfologi khusus lainnya dengan luas permukaan spesifik yang tinggi. Saat bahan aktif ditumbuhkan pada permukaan substrat, akan terbentuk struktur tiga dimensi berlapis yang dapat memastikan kontak penuh antara ion elektrolit dan bahan aktif, dan meningkatkan efisiensi reaksi. Berdasarkan ini, Ouyang et al. [28] mendapatkan kapasitansi spesifik tinggi sebesar 2047 F g⁻¹ pada densitas arus 1 A g⁻¹ dengan mempartikel hidroksida ganda lapisan nikel–kobalt sfers hierarkis yang ditumbuhkan pada karbon pori biomass. Zha et al. [29] berhasil merancang dan memproduksi nanosheet sulfida nikel–kobalt yang sangat terbuka pada busa nikel, yang menunjukkan resistensi rendah dan kapasitansi spesifik tinggi sebesar 2553,9 F g⁻¹ pada densitas arus 0,5 A g⁻¹. Sayangnya, meskipun kemajuan besar telah dicapai dalam studi sebelumnya tentang hidroksida ganda lapisan nikel–kobalt, kapasitansi spesifik sebagian besar dari mereka sebagai bahan elektroda masih berada di bawah 3000 F g⁻¹.
Dalam karya ini, kami usulkan strategi yang mudah dan efektif untuk menumbuhkan NiCo-LDHs pada busa nikel dan menyesuaikan struktur nano bahan elektroda untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan muatan. NiCo-LDHs disiapkan oleh proses hidrotermal satu langkah, dengan struktur yang termasuk disperansi, ketebalan dan porositas yang dapat dengan mudah diatur melalui penurunan kandungan urea di bawah rasio massa nikel ke kobalt tetap 3:1. NiCo-LDH-1 optimal menampilkan nanosheet lapisan tipis dengan ketebalan sekitar 1,62 nm dan struktur pori yang jelas. Struktur lapisan tipis berpori dapat menyediakan situs aktif yang banyak untuk reaksi redox, meningkatkan affinnya elektrolit dan bahan elektroda, dan mengurangi resistensi difusi serta jarak migrasi ion elektrolit. Akibatnya, NiCo-LDH-1 menunjukkan kapasitansi spesifik ultra-tinggi sebesar 3982,5 F g⁻¹ pada densitas arus 1 A g⁻¹, dan retensi kapasitansi di atas 93,6% setelah 1000 siklus charge dan discharge pada densitas arus tinggi 10 A g⁻¹. Performa elektrokimia yang sangat baik dari NiCo-LDH-1 dibuktikan lebih lanjut dengan merakit superkapasitor asimetrik dua elektroda dengan bola karbon, yang menunjukkan kapasitansi spesifik 95 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹ dan retensi kapasitansi 78% selama 1000 siklus.
Metode
Busa nikel (NF, 1 cm²) yang digunakan dalam eksperimen disediakan oleh Canrd Co., Ltd., China. Sebelum penggunaan, diultrasonik dalam HCl 2 M selama 15 menit untuk menghapus oksida yang tertempel pada permukaan dan kemudian dicuci dengan banyak air deionisasi dan etanol untuk menghapus ion dari permukaan. Setelah itu, dikeringkan pada 60 °C selama 3,5 jam dalam kondisi vakum. Semua kimia lainnya adalah kelas analisis, dibeli dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., di China dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Dalam prosedur tipikal, pertama-tama 0,06 g NiCl2·6H2O dan 0,02 g CoCl2·6H2O dilarutkan dalam 80 ml air deionisasi dengan ultrasonikasi selama 15 menit. Kedua, urea dimasukkan ke dalam larutan campuran dan diultrasonikasi selama 10 menit hingga padat terdistribusi sepenuhnya. Kemudian NF dengan pita tahan panas di satu sisi dilekatkan secara diagonal ke dasar autoclave stainless steel dilapisi Teflon setelah mengukur massanya. Akhirnya, larutan homogen dipindahkan ke autoclave dan kemudian dipelihara pada 100 °C selama 8 jam. Setelah reaksi, NF yang didinginkan dan ditumbuhi NiCo-LDHs diambil dan dicuci dengan air deionisasi untuk menghapus impurities yang tertempel pada permukaan dan kemudian dikeringkan pada 60 °C selama 4 jam dalam kondisi vakum. Total kandungan urea adalah 0,0075, 0,015 dan 0,03 g, masing-masing, yang sesuai dengan sampel NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 dan NiCo-LDH-3. Sampel yang disiapkan dengan cara yang sama seperti yang disebutkan di atas kecuali tanpa menambahkan urea, dinamai sebagai NiCo-LDH-0.
Difraktometer sinar X otomatis (XRD, D8 Advance) digunakan untuk mengukur struktur kristal bahan. Spektrometer fotoelektron sinar X (XPS, ESCALAB 250Xi) digunakan untuk mengukur valensi dan konten elemen bahan. Mikroskop elektron pencemaran vacuum tinggi dan rendah (SEM, JSM-6360LV) digunakan untuk mengamati morfologi dan komposisi mikrostruktur permukaan sampel. Mikroskop elektron transmisi (TEM, TF20 Jeol 2100F) digunakan untuk mengamati struktur ultra bahan. Mikroskop gaya atom (AFM, Dimension Icon) digunakan untuk mendapatkan informasi topografi permukaan dan informasi kekasaran permukaan dengan resolusi nanometer. Pemetaan elemen spektroskopi sinar X dispersif energi (EDS mapping) digunakan untuk mengukur distribusi elemen.
Sistem tiga elektroda tipikal dalam larutan KOH 1 M digunakan untuk menguji performa elektrokimia. Busa nikel yang ditumbuhi bahan elektroda yang disiapkan adalah elektroda kerja, dan platina serta elektroda kalomel jenuh digunakan sebagai elektroda lawan dan referensi, masing-masing, dengan yang voltamogram siklus (CV), kurva charge–discharge galvanostatic (GCD), impedansi elektrokimia (EIS) dan uji stabilitas siklus diukur. Kapasitansi spesifik Cc (F g⁻¹) dan kapasitas spesifik Q (C g⁻¹) dari sampel dapat dihitung berdasarkan parameter yang diperoleh dari kurva pengosongan galvanostatic, dan ekspresinya adalah sebagai berikut:
di mana I (A) mewakili arus pengosongan; Δt (s) berarti waktu pengosongan; ΔV (V) memberikan jendela potensial pengosongan; dan m (g) berkorespondensi dengan massa bahan aktif, sekitar 0,0012 g.
Superkapasitor asimetrik (ASC) dirancang dalam sistem dua elektroda setelah menyeimbangkan muatan dengan Qs+ ms+ = Qs- ms-. NiCo-LDH-1/NF digunakan sebagai elektroda positif, dan elektroda negatif diperoleh dengan mencampur bola karbon, hitam karbon dan PTFE dengan rasio 8:1:1 pada NF. Elektrolit sama dengan yang dalam sistem tiga elektroda, dan rentang jendela potensial untuk ASC adalah 0 ~ 1,4 V. Untuk menguji performa elektrokimia praktis, densitas energi spesifik Ec (W h kg⁻¹) dan densitas daya spesifik Pc (W kg⁻¹) untuk konfigurasi asimetrik dihitung sebagai berikut:
di mana I (A) mewakili arus pengosongan; Δt (s) memberikan waktu pengosongan; ΔV (V) berkorespondensi dengan jendela potensial; m (g) berarti massa aktif total elektroda positif dan negatif, sekitar 0,0065 g.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menggambarkan mikrostruktur dan morfologi NiCo-LDHs yang ditumbuhi pada NF yang disiapkan dengan berbagai kandungan urea. Gambar 1a–l menunjukkan citra SEM, citra AFM dan ketebalan sampel, masing-masing. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 1a, NiCo-LDH-3 yang disintesis menunjukkan struktur lembar yang bertumpuk dan saling terpaten dalam arah horizontal sejajar dengan NF. Struktur lembar ini tidak merata dan memiliki adheksi yang kuat. Seiring berkurangnya kandungan urea, NiCo-LDHs secara bertumbuh secara bertumbuh dalam arah vertikal dan tegak lurus pada NF. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 1c, ketika kandungan urea dikurangi menjadi 0,0075 g, nanosheet NiCo-LDH-1 saling terpaten dan didistribusikan pada permukaan NF, yang membentuk struktur tiga dimensi yang jelas dan struktur pori yang kaya di antara lapisan. Morfologi nanosheet ini bermanfaat untuk meningkatkan luas permukaan spesifik elektroda untuk menyediakan situs reaksi yang banyak untuk reaksi [30]. Oleh karena itu, dapat secara signifikan meningkatkan permukaan kontak dengan elektrolit untuk mempromosikan reaksi elektrokimia untuk berkontribusi pada kapasitansi spesifik yang besar dalam reaksi elektrokimia [31]. Gambar 1e–l adalah citra AFM untuk mendeteksi ketebalan nanosheet NiCo-LDHs. Untuk sampel NiCo-LDH-3, NiCo-LDH-2 dan NiCo-LDH-1, ketebalan yang sesuai adalah 3,29, 2,52 dan 1,62 nm, masing-masing. Ditunjukkan bahwa ketebalan nanosheet bahan berkurang secara bertahap seiring berkurangnya kandungan urea. Struktur ultra-tipis dalam NiCo-LDH-1 memberikan kondisi yang baik untuk pembentukan struktur pori dan menyepadkan jarak transfer ion. Namun, citra SEM NiCo-LDH-0 (Gambar 1d) menunjukkan bahwa sampel yang disiapkan tanpa menambahkan urea juga menampilkan struktur lembar, tetapi ketebalannya adalah 3,31 nm (Gambar 1h, l), yang lebih tebal daripada sampel lain yang disiapkan dengan urea. Ini mengimplikasikan bahwa mikrostruktur dan morfologi NiCo-LDHs dapat dipengaruhi oleh kandungan urea. Dalam proses untuk mendapatkan sampel yang melibatkan urea, urea lambat terdekomposisi menjadi NH3 dan CO2 pada suhu tinggi dan lebih lanjut menghasilkan ion CO3²⁻, NH4⁺ dan OH⁻ melalui reaksi dengan air. Di bawah kondisi kandungan urea yang lebih rendah, ion Co²⁺ dan Ni²⁺ memiliki sedikit situs kontak dengan OH⁻, yang akan membentuk struktur nanosheet lapisan tipis [32]. Namun, etching tidak terjadi selama proses sampel yang disiapkan tanpa urea. Akibatnya, dibandingkan dengan sampel yang diperoleh dengan urea, ketebalan sampel tanpa menambahkan urea menjadi lebih tebal.
a–d Citra SEM sampel: a NiCo-LDH-3, b NiCo-LDH-2, c NiCo-LDH-1, d NiCo-LDH-0; e–h Citra AFM sampel: e NiCo-LDH-3, f NiCo-LDH-2, g NiCo-LDH-1, h NiCo-LDH-0; i–l ketebalan sampel: i NiCo-LDH-3, j NiCo-LDH-2, k NiCo-LDH-1, l NiCo-LDH-0
Spektrum XRD NiCo-LDHs ditunjukkan dalam Gambar 2a. Setelah dibandingkan dengan kartu PDF standar, semua bahan dapat ditetapkan ke Ni0.75Co0.25(CO3)0.125(OH)2 0.215·0.38H2O (PDF#40–0216). Puncak difraksi pada 2θ 11,59°, 23,14°, 34,95°, 39,40°, 62,44° dan 65,96° sesuai dengan nikel–kobalt hidroksida (003), (006), (012), (015), (113) dan (116) bidang kristal, masing-masing. Detail mikro-morfologi NiCo-LDH-1 lebih lanjut dikarakterisasi oleh TEM. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 2b–d, NiCo-LDH-1 muncul sebagai lapisan pori tipis dan sangat sedikit tumpukan di antara lapisan. Itu karena kandungan urea yang berkurang meningkatkan disperansi bahan dan mengurangi tumpukan lateral di antara lapisan. Struktur pertumbuhan tiga dimensi membuat struktur lembar bahan lebih tipis dan memiliki pori yang jelas. Kehadiran struktur pori lapisan tipis dapat sangat meningkatkan rendaman elektrolit ke dalam bahan elektroda, mengurangi resistensi difusi dan jarak migrasi ion elektrolit [33].
a Pola difraksi sinar X sampel; b–d Citra TEM NiCo-LDH-1
Gambar 3 menunjukkan analisis XPS dari NiCo-LDH-1. Untuk spektrum XPS Ni 2p dalam Gambar 3a, dua puncak utama diamati sekitar 873,1 dan 855,5 eV yang sesuai dengan Ni 2p1/2 dan Ni 2p3/2, masing-masing. Puncak dengan energi ikatan pada 874,4 dan 856,5 eV dikaitkan dengan Ni³⁺, sementara puncak pemasangan pada 873,1 dan 855,3 eV sesuai dengan Ni²⁺ [34, 35]. Sementara itu, puncak pada 872,1 dan 854,2 eV menyiratkan kehadiran Ni⁰ yang dikaitkan dengan NF dan dua puncak lainnya pada 878,8 dan 861,2 eV dapat ditetapkan ke puncak satelit. Sebagai contoh, Gambar 3b menggambarkan spektrum XPS Co 2p yang dipasang, dan dua puncak utama yang terletak pada 796,1 dan 780,8 eV diindeks ke Co 2p1/2 dan Co 2p3/2, masing-masing. Duplet pada 796,9 dan 781,5 eV setuju dengan Co²⁺, sementara duplet lainnya pada 795,5 dan 780,1 eV konsisten dengan Co³⁺ [35, 36]. Puncak satelit yang sesuai berada pada 784,9 dan 803,7 eV. Spektrum O 1 s ditunjukkan dalam Gambar 3c, di mana puncak yang berpusat pada 529,6, 531 dan 532,5 eV harus ditetapkan ke oksigen yang terikat dengan logam (O1), oksigen defek (O2) dengan koordinasi rendah dan oksigen dalam air (O3) yang terikat secara fisik dan kimiawi pada dan di dalam permukaan, masing-masing [35]. Hasil ini menunjukkan bahwa NiCo-LDH-1 memiliki distribusi valensi yang kaya, yang bermanfaat untuk peningkatan performa elektrokimia.
Spektrum fotoelektron sinar X a Ni 2p, b Co 2p dan c O 1 s dari NiCo-LDH-1
Diagram pemetaan EDS NiCo-LDH-1 ditunjukkan dalam Gambar 4a–d. Dari gambar dapat terlihat bahwa elemen Ni, Co dan O terdistribusi secara seragam di seluruh bahan, yang sesuai dengan hasil XPS.
a SEM NiCo-LDH-1; Diagram pemetaan elemen EDS dari b Ni, c Co dan d O dalam NiCo-LDH-1
Untuk menguji performa elektrokimia NiCo-LDHs, uji CV, GCD, EIS dan stabilitas siklus dilakukan dalam sistem pengujian tiga elektroda tipikal. Gambar 5a menunjukkan kurva voltamogram siklus NiCo-LDH-1 pada laju pindaian yang berbeda. Dari gambar dapat terlihat bahwa terdapat puncak oksidasi dan puncak reduksi yang jelas diamati untuk semua sampel, dan luas puncak anoda dan katoda pada laju pindaian yang tetap sama secara dasar, yang mengindikasikan bahwa bahan elektroda memiliki reversibilitas yang unggul. Reaksi redox dapat dinyatakan sebagai:
a Kurva CV NiCo-LDH-1 pada laju pindaian yang berbeda; b Kurva CV sampel pada laju pindaian 5 mV s⁻¹; c Kurva GCD NiCo-LDH-1 pada densitas arus yang berbeda; d Kurva GCD sampel pada 1 A g⁻¹; e Diagram stabilitas siklus NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 dan NiCo-LDH-0 pada 10 A g⁻¹; f Plot Nyquist NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 dan NiCo-LDH-0
Gambar 5b menunjukkan kurva voltamogram siklus NiCo-LDHs pada laju pindaian 5 mV s⁻¹. Dari gambar dapat terlihat bahwa arus puncak oksidasi dan reduksi NiCo-LDH-1 secara signifikan lebih tinggi daripada NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 dan NiCo-LDH-0, dan luas yang dibatasi oleh lebar puncak dan intensitas arus puncak NiCo-LDHs meningkat secara berurutan. Menurut literatur sebelumnya [37], luas yang dibatasi oleh kurva dapat mencerminkan kontribusi bahan terhadap kapasitansi. Semakin besar luas integral yang dibatasi pada laju pindaian dan jendela tegangan yang sama, semakin baik performa kapasitansi bahan, jadi NiCo-LDH-1 yang diatur dengan mengurangi kandungan urea membuat performa kapasitansi lebih baik. Selain itu, dapat diamati dari kurva CV NF pada 5 mV s⁻¹ bahwa luas kurva CV untuk NF sangat kecil dibandingkan sampel lain, yang mengindikasikan bahwa kontribusi kapasitansi NF tidak signifikan.
Kurva charge dan discharge galvanostatic NiCo-LDH-1 pada berbagai densitas arus ditunjukkan dalam Gambar 5c. Jelas, NiCo-LDH-1 memiliki kapasitansi spesifik ultra-tinggi sebesar 4166 (1667 C g⁻¹) dan 3982,5 F g⁻¹ (1593 C g⁻¹) pada densitas arus 0,5 dan 1 A g⁻¹, masing-masing. Pada densitas arus kuat 10 A g⁻¹, kapasitansi spesifik sebesar 2550 F g⁻¹ (1020 C g⁻¹) masih dapat dipertahankan. Dengan membandingkan dengan hasil literatur seperti ditampilkan dalam Tabel 1, karya kami lebih menguntungkan.
Gambar 5d adalah kurva charge dan discharge galvanostatic NiCo-LDHs di bawah densitas arus dan jendela tegangan yang sama. Dapat diamati bahwa ketika kandungan urea berkurang, waktu charge dan discharge NiCo-LDHs menjadi lebih lama secara berurutan. Kapasitansi spesifik berubah dari 2405 F g⁻¹ (962 C g⁻¹) untuk NiCo-LDH-3 ke 3052,5 F g⁻¹ (1221 C g⁻¹) untuk NiCo-LDH-2 dan akhirnya meningkat menjadi 3982,5 F g⁻¹ (1593 C g⁻¹) untuk NiCo-LDH-1. Ini mengilustrasikan bahwa perubahan kandungan urea memiliki pengaruh penting pada reaksi redox bahan. Alasannya adalah bahwa dengan kandungan urea yang tinggi, NiCo-LDHs terutama tumbuh dalam arah sejajar dengan permukaan NF secara lateral, dan lapisan bertumpuk bersama, yang meningkatkan ketebalan keseluruhan lapisan, sehingga elektrolit tidak dapat menembus dengan baik dan reaksi redox yang menghasilkan kapasitansi palsu hanya dapat dilakukan pada atau dekat permukaan. Penurunan kandungan urea membuat disperansi bahan lebih baik. NiCo-LDHs secara bertahap melepaskan status bertumpuk di antara lapisan. Struktur pertumbuhan tiga dimensi membuat struktur lapisan bahan lebih tipis dan pori menjadi jelas. Ini menyediakan lebih banyak situs aktif untuk reaksi dan mengurangi resistensi difusi serta jarak migrasi ion elektrolit, yang mendukung transmisi dan difusi ion, sehingga secara besar meningkatkan performa kapasitansi palsu bahan [36, 44]. Menurut kurva GCD NiCo-LDH-0, kapasitansi spesifik sampel adalah 1232,5 F g⁻¹ (493 C g⁻¹) pada densitas arus 1 A g⁻¹ yang lebih rendah daripada sampel yang diperoleh dengan urea. Ini lebih mengonfirmasi bahwa struktur yang berubah termasuk morfologi dan ketebalan yang disebabkan oleh perkenalan urea memiliki efek promosi positif pada properti elektrokimia NiCo-LDHs.
Gambar 5e menunjukkan stabilitas siklus NiCo-LDHs. Pada densitas arus 10 A g⁻¹, tingkat retensi kapasitansi NiCo-LDH-1 di atas 93,6% setelah 1000 siklus, lebih tinggi daripada 88,9% dan 83% untuk NiCo-LDH-2 dan NiCo-LDH-3, masing-masing. Namun, tingkat retensi kapasitansi NiCo-LDH-0 hanya 54,9%. Ini mengindikasikan bahwa kandungan urea yang sesuai dapat secara efektif meningkatkan stabilitas bahan elektroda. Selain itu, selama 100 hingga 500 siklus, retensi kapasitansi NiCo-LDH-1 lebih besar dari 100%, yang mengusulkan bahwa struktur lapisan vertikal yang lebih tipis selama proses siklus ini dapat cukup membuat elektrolit difusi ke dekat permukaan bahan aktif untuk mendukung proses reaksi redox. Gambar 5f adalah hasil uji EIS untuk NiCo-LDHs. Plot Nyquist terdiri dari dua bagian: daerah frekuensi tinggi dan rendah, yang sesuai dengan separuh lingkaran dan bagian garis, masing-masing. Diameter separuh lingkaran pada daerah frekuensi tinggi mencerminkan resistensi transfer elektron. Semakin kecil diameter separuh lingkaran, semakin kecil resistensi transfer elektron. Kemiringan garis mewakili kemampuan difusi ion elektrolit pada permukaan bahan. Semakin tinggi kemiringan, semakin kuat kemampuan difusinya [45]. Untuk sampel NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 dan NiCo-LDH-3, ketika kandungan urea secara bertahap berkurang, resistensi transfer dan jarak migrasi elektron menurun untuk elektroda yang sesuai, laju transmisi ion ke permukaan elektroda meningkat, dan konduktivitas bahan secara bertahap membaik. Namun, untuk sampel NiCo-LDH-0, meskipun resistensi transfer elektronnya cukup kecil, laju transmisi ion terlalu lambat untuk mencocokkan kemampuan transmisi elektron, yang mengakibatkan performa elektrokimia yang buruk.
Performa elektrokimia yang sangat baik dari NiCo-LDH-1 sebagai elektroda positif dikonfirmasi lebih lanjut dengan merakit superkapasitor asimetrik dua elektroda dengan bola karbon sebagai elektroda negatif. Gambar 6a adalah kurva CV elektroda bola karbon dan NiCo-LDH-1 pada 10 mV s⁻¹. Elektroda bola karbon dan NiCo-LDH-1 dengan jendela potensial -1 ~ 0 dan 0 ~ 0,5 V dapat dirancang menjadi perangkat stabil dengan tegangan diperluas 1,5 V secara efektif, seperti yang ditunjukkan oleh kurva CV pada 10 mV s⁻¹ dari perangkat dalam Gambar 6b.
Performa elektrokimia superkapasitor asimetrik NiCo-LDH-1/bola karbon: a Kurva CV pada laju pindaian 10 mV s⁻¹; b Kurva CV pada berbagai laju pindaian; c Kurva GCD pada berbagai densitas arus; dan d stabilitas siklus pada densitas arus 10 A g⁻¹
Setelah membandingkan Gambar 6a, b, terdapat dua perbedaan utama yang diamati secara jelas di antara mereka dalam jendela potensial dan bentuk kurva CV. Penyebab perbedaan ini terletak pada aspek-aspek berikut: 1) Relatif terhadap elektroda referensi kalomel jenuh, jendela tegangan elektroda tunggal NiCo-LDH-1 dan bola karbon adalah 0 ~ 0,4 dan -1 ~ 0 V dalam sistem tiga elektroda, masing-masing. Namun, setelah kami menggunakan NiCo-LDH-1 sebagai elektroda positif untuk merakit superkapasitor asimetrik dua elektroda dengan bola karbon sebagai elektroda negatif, jendela tegangan perangkat relatif terhadap elektroda negatif (yaitu bola karbon dengan rentang potensial -1 ~ 0 V). Oleh karena itu, setelah menyeimbangkan muatan, perangkat yang dirancang oleh dua elektroda dengan proses berlawanan dapat bekerja di bawah jendela potensial 0 ~ 1,4 V [46]. 2) Seperti ditunjukkan dalam Gambar 6b, kurva CV superkapasitor asimetrik menunjukkan pasangan puncak yang jelas pada berbagai laju pindaian, yang mengonfirmasi karakteristik kapasitansi palsu Faradaik yang tipikal yang disumbangkan oleh NiCo-LDH-1 [47]. Selain itu, kurva CV semi-persegi yang lebih jelas serta proses charge dan discharge yang sekitar linier dalam Gambar 6b, c untuk superkapasitor asimetrik dibandingkan dengan NiCo-LDH-1 lebih mengonfirmasi peningkatan responsivitas kapasitansi karena efek kapasitansi lapisan ganda listrik yang dihasilkan oleh bola karbon. Oleh karena itu, superkapasitor asimetrik yang dirancang menunjukkan variasi penampilan kurva CV relatif terhadap elektroda tunggal NiCo-LDH-1 dan bola karbon. Ini berasal dari penyatuan keunggulan dua bahan elektroda dengan mekanisme penyimpanan muatan yang beragam. Dengan keuntungan ini, tegangan perangkat dapat ditingkatkan, sehingga berkontribusi pada peningkatan densitas daya dan energi [48].
Kurva GCD pada berbagai densitas arus ditampilkan dalam Gambar 6c dengan rentang tegangan 0 ~ 1,4 V. Menurut perhitungan, kapasitansi spesifik superkapasitor asimetrik adalah 95 (132,9) dan 57 F g⁻¹ (79,75 C g⁻¹) pada densitas arus 1 dan 5 A g⁻¹, masing-masing. Densitas energi maksimum adalah 25,9 W h kg⁻¹ pada densitas daya 701,6 W kg⁻¹. Sementara itu, kurva frekuensi rendah dari EIS yang ditampilkan dalam inset Gambar 6d hampir vertikal, yang mengindikasikan bahwa ion elektrolit memiliki kemampuan perpindahan yang sangat baik antara elektroda positif dan negatif [49]. Stabilitas siklus perangkat juga dievaluasi dengan uji charge dan discharge berulang pada 10 A g⁻¹. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 6d, retensi kapasitansi di atas 78% setelah 1000 siklus.
Kesimpulan
Metode hidrotermal satu langkah sederhana dan efektif digunakan untuk sintesis berbagai NiCo-LDHs. Struktur nano NiCo-LDHs dapat disesuaikan dengan mengoptimalkan kandungan urea, sehingga meningkatkan performa elektrokimianya sebagai bahan elektroda. Konsekuensi fitur struktural menunjukkan bahwa dengan penurunan kandungan urea, nanosheet NiCo-LDH-1 menunjukkan disperansi yang sangat ditingkatkan dan membentuk struktur pori tipis dengan ketebalan hanya 1,62 nm, yang menciptakan lebih banyak situs aktif untuk reaksi redox, meningkatkan affinnya antara elektrolit dan bahan elektroda, menyepadkan jalur difusi ion dan meningkatkan kemampuan transfer elektron. NiCo-LDH-1 menampilkan kapasitansi spesifik yang sangat baik sebesar 3982,5 F g⁻¹ pada densitas arus 1 A g⁻¹ dan tingkat retensi kapasitansi di atas 93,6% selama 1000 siklus pada densitas arus tinggi 10 A g⁻¹. Performa elektrokimia yang sangat baik dari NiCo-LDH-1 dikonfirmasi lebih lanjut dengan merakit superkapasitor asimetrik dua elektroda dengan bola karbon. Kapasitansi spesifik adalah 95 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, dan retensi kapasitansi di atas 78% selama 1000 siklus. Hasil ini menunjukkan bahwa NiCo-LDHs adalah bahan penyimpanan energi generasi berikutnya dengan peluang aplikasi yang besar dan memberikan kemungkinan tinggi untuk pengembangan superkapasitor energi tinggi.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis yang bertanggung jawab atas permintaan yang wajar.
Singkatan
NiCo-LDHs:
Hidroksida ganda lapisan nikel–kobalt
TMHs:
Hidroksida logam transisi
Ni:
Nikel
Co:
Kobalt
NF:
Busa nikel
XRD:
Difraktometer sinar X otomatis
XPS:
Spektrometer fotoelektron sinar X
SEM:
Mikroskop elektron pencemaran
TEM:
Mikroskop elektron transmisi
AFM:
Mikroskop gaya atom
EDS mapping:
Pemetaan elemen spektroskopi sinar X dispersif energi
