Síntese de Nanocages de Ni Cúbico (OH) 2 através da Coordenação de Etching e Precipitação de Rota para Supercapacitores de Alto Desempenho

Resumo

O projeto racional de estrutura em forma de gaiola é um método eficaz para a melhoria do desempenho capacitivo de hidróxidos de metal de transição. Neste trabalho, nanocages de Ni (OH) 2 (Ni (OH) 2 NCs) cúbicos foram construídos através de uma rota de corrosão coordenada e precipitação (CEP). Os NCs de Ni (OH) 2 possuem locais ativos abundantes, canais de difusão suficientes e taxa de transferência de elétrons acelerada, que são benéficos para a cinética eletroquímica. Como um eletrodo positivo para supercapacitores, o eletrodo de Ni (OH) 2 NCs / espuma de Ni (NF) apresenta uma alta capacitância específica de 539,8 F g ⁻¹ em 1 A g ⁻¹ , que é muito maior do que o de Ni (OH) 2 NCs / NF (Ni (OH) 2 BNCs / NF quebrado, 87,3 F g ⁻¹ em 1 A g ⁻¹ ) Além disso, o eletrodo Ni (OH) 2 NCs / NF ainda retém 96,9% de sua capacitância específica inicial após 2.000 ciclos. Os dispositivos de supercapacitor assimétrico (ASC) foram montados usando Ni (OH) 2 NCs / NF e carvão ativado (AC) / NF como eletrodos positivo e negativo, respectivamente. O ASC exibe uma densidade de energia mais alta de 23,3 Wh kg ⁻¹ a uma densidade de potência de 800 W kg ⁻¹ em comparação com Ni (OH) 2 BNCs / NF (3 Wh kg ⁻¹ a 880 W kg ⁻¹ ) Esses resultados demonstram que o eletrodo Ni (OH) 2 NCs / NF apresenta aplicações potenciais na área de armazenamento de energia. O projeto da estrutura em forma de gaiola abre uma maneira eficaz de obter materiais de eletrodo de alto desempenho.

Histórico

Para superar os desafios da poluição ambiental e da crise energética, existem demandas significativas para o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia seguros, renováveis, limpos e de alto desempenho como alternativas aos combustíveis fósseis [1, 2]. Os supercapacitores possuem características excelentes para atender a esses problemas, como capacidade de alta potência (10-20 vezes maior do que as baterias), desempenho de alta taxa, tempo de carregamento curto e natureza ecologicamente correta [3, 4]. Capacitores elétricos de camada dupla (EDLCs) e pseudocapacitores (PCs) são os dois tipos de supercapacitores comumente pesquisados. Portanto, os PCs governados por redox na / próximo à superfície dos eletrodos de óxido / hidróxido de metal de transição sempre têm densidade de energia mais alta do que os EDLCs e se tornaram os principais problemas neste campo [5,6,7,8,9,10]. Como um hidróxido de metal de transição típico, Ni (OH) ₂ foi relatado como um material de eletrodo de alto desempenho para PCs devido ao par redox de Ni ³⁺ / Ni ²⁺ em um meio alcalino [11, 12]. No entanto, a capacitância específica adquirida de Ni (OH) ₂ é sempre muito inferior ao valor teórico devido à utilização insuficiente de materiais do eletrodo.

Inspirado pela cinética, o desempenho capacitivo dos materiais do eletrodo pode ser mediado pelo projeto da microestrutura e morfologia. Esforços tremendos foram dedicados à síntese de Ni (OH) ₂ materiais de eletrodo com microestruturas exclusivas para alcançar desempenho de armazenamento de alta eficiência [13, 14]. Nesse sentido, a construção de uma estrutura porosa oca em forma de gaiola foi considerada um método eficaz para obter eletrodos de alto desempenho. Especificamente, uma estrutura em forma de gaiola pode fazer uso total da área de superfície interna e externa e fornecer locais redox ativos suficientes, levando a uma capacitância específica aprimorada. Além disso, o invólucro poroso fornece quantidades de caminhos de difusão para o eletrólito, o que é benéfico para a reversibilidade do eletrodo, resultando em excelente estabilidade de ciclo e desempenho de alta taxa. Com relação à cinética de transferência de elétrons, a camada fina nanométrica refina a rota de transferência de elétrons e acelera a taxa de transferência de elétrons [15, 16]. Assim, maior desempenho capacitivo de Ni (OH) ₂ pode ser obtido através do projeto de arquitetura porosa oca em forma de gaiola.

O processo químico modelado é o método comumente usado para preparar arquiteturas em forma de gaiola [17, 18]. Os produtos finais podem duplicar com precisão a forma geométrica dos modelos e reter uma morfologia bem definida com distribuição de tamanho estreita [19, 20]. Neste trabalho, Ni (OH) ₂ NCs foram fabricados usando Cu cúbico ₂ Os cristais O como modelos de sacrifício por meio de tiossulfato envolvem o princípio de corrosão e precipitação coordenada (CEP). O Ni (OH) sintetizado ₂ NCs / NF foi empregado como eletrodo positivo para supercapacitores e Ni (OH) ₂ BNCs / NF foi apresentado como uma amostra de contraste para confirmar as vantagens estruturais da arquitetura em forma de gaiola. Ni (OH) ₂ NCs / NF exibe uma alta capacitância específica de 539,8 F g ⁻¹ em 1 A g ⁻¹ , que é muito maior do que Ni (OH) ₂ BNCs / NF (87.3 F g ⁻¹ em 1 A g ⁻¹ ) O dispositivo supercapacitor assimétrico (ASC) apresenta uma alta densidade de energia de 23,3 Wh kg ⁻¹ a 800 W kg ⁻¹ , e este valor é muito maior do que Ni (OH) ₂ BNCs / NF // AC (3 Wh kg ⁻¹ a 880 W kg ⁻¹ ) Os resultados revelam que Ni (OH) ₂ O eletrodo NCs / NF apresenta uma perspectiva atraente em supercapacitores. A maneira de projetar uma arquitetura porosa oca em forma de gaiola também é significativa em outros campos, como sensores e catalisadores.

Métodos / Experimental

Preparação de Cu ₂ O Templates

Cubic Cu ₂ Cristais O foram sintetizados de acordo com nosso relatório anterior [21]. Solução de NaOH de cinquenta mililitros (2 M) foi adicionada ao CuCl ₂ agitado · 2H ₂ O (500 ml, 0,01 M) dentro de 3 min a 55 ° C. Após agitação durante 30 min, 50 mL de solução de ácido ascórbico 0,6 M foram adicionados gota a gota. As amostras finais foram centrifugadas após 3 he secas em vácuo.

Síntese de Ni (OH) ₂ NCs

400 mg Cu ₂ O templates e diferentes dosagens de NiCl ₂ potes foram derramados em um béquer de 1000 mL contendo 400 mL de água e álcool misturados (proporção de volume =1:1). A proporção de massa de Cu ₂ Modelos O e NiCl ₂ os poderes são controlados como 5:1, 2,5:1, 1,67:1 e 1,25:1 (NiCl ₂ correspondente a dosagem é de 80 mg, 160 mg, 240 mg e 320 mg, respectivamente). Após tratamento ultrassônico por 10 min, 13,2 mg de polivinilpirrolidona (PVP) foram dispersos na solução sob agitação. Após 30 min, 160 mL de Na 1 M ₂ S ₂ O ₃ foi adicionado gota a gota à solução à temperatura ambiente. Após 3 horas, os produtos finais foram coletados por centrifugação e secos em estufa. Ni (OH) ₂ BNCs foram obtidos através do tratamento ultrassônico de Ni (OH) ₂ NCs por 2 h em álcool (Arquivo adicional 1:Figura S1).

Caracterizações de materiais

A estrutura e composição química dos produtos foram analisadas por difração de pó de raios X (XRD, Rigaku D / Max-2400) utilizando radiação Cu Kα e espectroscopia de fotoelétrons de raios X ESCALAB 250Xi (XPS, EUA). As morfologias dos produtos foram investigadas em microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo Zeiss Gemini 300 (FESEM). As observações do microscópio eletrônico de transmissão (TEM) foram realizadas em um dispositivo FEI F20. A área de superfície específica e característica porosa foram medidas em um instrumento Belsort-max.

Medições eletroquímicas

Todas as medições eletroquímicas foram realizadas em uma estação de trabalho μIII Autolab em KOH 3 M com folha de Pt (1 cm × 1 cm) e Ag / AgCl (KCl saturado) como eletrodos contador e de referência, respectivamente. Os eletrodos de trabalho foram construídos pelos seguintes procedimentos:primeiro, os materiais do eletrodo (Ni (OH) ₂ NCs obtidos em diferentes tempos de reação e Ni (OH) ₂ BNCs), negro de acetileno e politetrafluoroetileno (5% PTFE) foram misturados com uma razão de massa de 80:15:5 em etanol. Em seguida, a mistura foi revestida em NF (1 cm x 1 cm) e seca em estufa. A massa de carga foi calculada como 3,4 mg / cm ² . O desempenho eletroquímico foi examinado por voltametria cíclica (CV), descarga de carga galvanostática (GCD) e impedância eletroquímica (EIS). Os testes EIS foram realizados entre 0,01 e 100 kHz com amplitude de perturbação de 5 mV. A capacitância específica dos eletrodos foi calculada de acordo com a seguinte equação:
$$ C =\ frac {I \ varDelta t} {m \ varDelta V} $$ (1)
onde eu é a corrente de descarga (A), t é o (s) tempo (s) de descarga, Δ V é a janela potencial (V), m é a massa total (g) dos materiais do eletrodo. Os ASCs foram preparados com Ni (OH) ₂ NCs (ou Ni (OH) ₂ BNCs)) e AC como os eletrodos positivo e negativo, respectivamente. O eletrodo AC foi preparado revestindo uma mistura de AC e ligante PTFE (90:10) em NF (1 cm × 1 cm). Em seguida, os dois eletrodos foram montados juntos com um separador em KOH 3 M.

Resultados e discussões

Caracterizações

Padrão de XRD do Ni (OH) preparado ₂ NCs foi registrado na Fig. 1a. Os três picos fortes observados localizados em 33,1 °, 38,5 ° e 60,2 ° correspondem a (100), (101) e (003) planos cristalinos hexagonais β -Ni (OH) ₂ (JCPDS no. 14-0117) [22]. As medições de XPS foram realizadas para confirmar a composição química. Os sinais de Ni, O e C são claramente observados no espectro da pesquisa, revelando que a amostra é composta principalmente de Ni e O. Conforme exibido na Fig. 1c, os sinais concentrados estão localizados em 873,7 eV e 856,1 eV com uma separação de 17,6 eV pode ser atribuído a Ni 2p _1/2 e Ni 2p _3/2 de Ni ²⁺ _, respectivamente [23, 24]. Os picos localizados em 879,9 eV e 861,7 eV são os sinais de satélite correspondentes para Ni 2p _1/2 e Ni 2p _3/2, respectivamente. Conforme mostrado na Fig. 1d, o pico de O1s localizado em 531,2 eV apresenta uma característica típica da ligação Ni-O-Ni em Ni (OH) ₂ [25, 26]. Com base nas discussões acima, os produtos preparados podem ser deduzidos como Ni (OH) ₂ Estágio.

a Padrão de XRD do Ni (OH) preparado ₂ NCs. b - d Espectros XPS do Ni (OH) ₂ NCs. b Pesquisa. c Ni 2p. d O 1s

As observações SEM e TEM foram empregadas para confirmar ainda mais a característica morfológica dos produtos. Arquivo adicional 1:A Figura S2a exibe o padrão de XRD do Cu ₂ preparado O. Todos os picos de difração podem ser indexados ao JCPDS no. 78-2076, confirmando a preparação bem-sucedida de Cu ₂ O. Imagem SEM de Cu ₂ O modelos no arquivo adicional 1:A Figura S2b revela a característica cúbica dos produtos com um comprimento de borda de cerca de 500 nm. Conforme observado na Fig. 2a, o Ni (OH) ₂ as amostras retêm morfologia cúbica bem definida uniforme após o processo CEP. O Ni (OH) ₂ cubos têm um comprimento de borda de 500 nm (Fig. 2b), que é mais ou menos o mesmo que Cu ₂ Ó modelos. Como pode ser visto na inserção da Fig. 2b, a superfície de Ni (OH) ₂ cubos é composto por quantidades de partículas finas e apresenta característica porosa. A imagem TEM na Fig. 2c exibe cavidade interna aparente, revelando a característica de gaiola de Ni (OH) ₂ produtos. Conforme exibido na Fig. 2d, o comprimento da borda é de 500 nm, o que é consistente com a observação de SEM. Além disso, a espessura da casca de Ni (OH) ₂ NCs é identificado como 50 nm (Fig. 2d). As investigações de SEM e TEM demonstram a característica de gaiola dos produtos. A estrutura porosa oca em forma de gaiola fornece uma grande área de superfície e quantidades de caminhos de difusão, o que pode favorecer o processo de transporte de massa, levando a um excelente desempenho capacitivo.

a , b SEM e c , d Imagens TEM do Ni (OH) ₂ NCs

As fotografias ópticas e imagens TEM de Ni (OH) ₂ NCs foram registrados em diferentes tempos de reação para realizar o mecanismo de formação. Conforme exibido na Fig. 3a, a solução de reação exibe uma cor vermelho tijolo em 5 min, indicando que pequenas reações ocorrem no estágio inicial. Posteriormente, a cor da solução torna-se gradualmente mais clara. Após 3 h, a cor da solução passa a verde claro, que é a cor dos produtos finais. Conforme ilustrado na Fig. 3b, os produtos apresentam cavidade interna parcialmente oca devido à dissolução de Cu ₂ Modelos O em 5 min. Além disso, a corrosão do Cu ₂ interno O ocorreu preferencialmente no canto devido à cinética de difusão adequada. O Cu ₂ interno Cristais O se dissolvem continuamente até que desapareçam completamente em 3 h. O diagrama esquemático foi ilustrado no Esquema 1. Geralmente, o mecanismo de formação de Ni (OH) ₂ Os NCs são mostrados abaixo (Eq. (2)):
$$ {\ mathrm {Ni}} ^ {2 +} + 2 {\ mathrm {OH}} ^ {-} \ to \ mathrm {Ni} {\ left (\ mathrm {OH} \ right)} _ 2 $$ (2)

a As fotografias ópticas do sistema de reação em um tempo de reação diferente. b Imagens TEM dos produtos obtidos em diferentes tempos de reação

Diagrama esquemático para o processo de formação

Ni ²⁺ íons na Eq. (2) são os Ni absorvidos ²⁺ na superfície de Cu ₂ Cristais O (Etapa 1). OH ^- íons na Eq. (2) são liberados da corrosão de Cu ₂ Cristais O (Eq. (3)) e hidrólise de S ₂ O ₃ ^2- (Eq. (4)).
$$ {Cu} _2O + {xS} _2 {O_3} ^ {2 -} + {H} _2O \ to {\ left [{Cu} _2 {\ left ({S} _2 {O} _3 \ right)} _ x \ right]} ^ {2-2x} +2 {OH} ^ {-} $$ (3) $$ {\ mathrm {S}} _ 2 {{\ mathrm {O}} _ 3} ^ {2 -} + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to {\ mathrm {H} \ mathrm {S}} _ 2 {{\ mathrm {O}} _ 3} ^ {2 -} + {\ mathrm {O} \ mathrm {H}} ^ {-} $$ (4)
As Equações (3) e (4) são o mecanismo para S ₂ O ₃ ²⁻ envolveu o processo CEP, que acontece nas etapas 2 e 3. O processo cinético detalhado é semelhante à formação de Co (OH) ₂ NCs em nosso artigo publicado [27]. O transporte de S ₂ O ₃ ²⁻ em direção a Cu ₂ O determina a taxa de corrosão e o OH liberado ^- íons do interior apresentam a taxa de crescimento de Ni (OH) ₂ NCs. O controle cooperativo dos dois processos resulta na formação de Ni (OH) ₂ bem definido NCs.

A Fig. 4 mostra o N ₂ curvas de isoterma de adsorção-dessorção de Ni (OH) ₂ NCs e Ni (OH) ₂ BNCs. A área de superfície BET de Ni (OH) ₂ NCs é 54,7 m ² / g, que é muito maior do que Ni (OH) ₂ BNCs (38,1 m ² / g). Os resultados indicam que a arquitetura porosa oca confere Ni (OH) ₂ NCs com uma área de superfície específica maior. As distribuições de tamanho de poro (inserções de aeb) revelam a estrutura mesoporosa de Ni (OH) ₂ NCs e Ni (OH) ₂ BNCs. O volume do poro de Ni (OH) ₂ NCs é calculado como 0,25 cm ³ / g, que é maior do que Ni (OH) ₂ BNCs (0,19 cm ³ / g). Além disso, uma distribuição concentrada de poros entre 2,7 e 6,1 nm é investigada para Ni (OH) ₂ NCs, que está relacionado ao interespaço entre as nanopartículas. No entanto, nenhuma distribuição de poro concentrada óbvia é observada para Ni (OH) ₂ BNCs, revelando a destruição dos canais de difusão ordenados. A grande área de superfície e canais de difusão ordenados são benéficos para a cinética eletroquímica, resultando em excelente desempenho capacitivo.

Medições BET de a Ni (OH) ₂ NCs e (b) Ni (OH) ₂ BNCs. Inserções de a e b são as distribuições de tamanho de poro correspondentes de Ni (OH) ₂ NCs e Ni (OH) ₂ BNCs, respectivamente

Desempenho eletroquímico de Ni (OH) ₂ NCs

A fim de obter a melhor propriedade capacitiva, Ni (OH) ₂ NCs com diferentes espessuras de casca foram preparadas controlando a dosagem de NiCl ₂ pós. Conforme mostrado na Fig. 5, a espessura da casca aparentemente aumenta de 27,4 para 76,7 nm com o aumento da razão de massa de 5:1 para 1,67:1. No entanto, a espessura da casca aumenta apenas ligeiramente de 76,7 nm para 79 nm com o aumento adicional da razão de massa para 1,25:1. Os resultados podem ser atribuídos à dificuldade cinética na difusão da massa causada pelo impedimento da casca. As curvas GCD de Ni (OH) ₂ NCs obtidos com diferentes NiCl ₂ dosagem foram medidas e os dados foram registrados na Fig. 6a. É claro que a amostra com Cu ₂ O / NiCl ₂ 2,5:1 exibe o tempo de descarga mais longo abaixo de 4 A / g, indicando o melhor desempenho capacitivo. Este resultado pode ser atribuído à cinética de transporte de massa adequada derivada da espessura moderada da casca. Além disso, o desempenho capacitivo de Ni (OH) ₂ NCs obtidos com Cu ₂ O / NiCl ₂ 2,5:1 foi avaliado de forma contrastante com Ni (OH) ₂ BNCs. Como mostrado na Fig. 6b, picos redox significativos são claramente observados nas curvas CV de Ni (OH) ₂ NCs e Ni (OH) ₂ BNCs, revelando característica pseudocapacitiva dos dois eletrodos. O processo redox corresponde ao mecanismo de armazenamento relacionado ao Ni (OH) ₂ / Casal redox NiOOH ilustrado na Eq. (5) [28, 29].
$$ \ mathrm {Ni} {\ left (\ mathrm {OH} \ right)} _ 2 + {\ mathrm {OH}} ^ {-} \ leftrightarrow \ mathrm {Ni} \ mathrm {OOH} + {\ mathrm {H }} _ 2 \ mathrm {O} + {e} ^ {-} $$ (5)

a - d Imagens TEM do Ni (OH) ₂ NCs obtidos com diferentes proporções de massa de Cu ₂ O / NiCl ₂ . e - h Imagens TEM das conchas correspondentes de a - d

a Curvas de GCD dos produtos obtidos com diferentes rações de massa de Cu ₂ O / NiCl ₂ em 4 A g ⁻¹ . b Os currículos de Ni (OH) ₂ NCs / NF e Ni (OH) ₂ BNCs / NF na taxa de varredura de 60 mV / s. c Os currículos de Ni (OH) ₂ NCs / NF em diferentes taxas de varredura. d Curvas GCD de Ni (OH) ₂ NCs / NF e Ni (OH) ₂ BNCs / NF em 1 A g ⁻¹ . e Curvas GCD de Ni (OH) ₂ NCs / NF em diferentes densidades de corrente. f O esquema das vantagens de armazenamento de carga para Ni (OH) ₂ NCs. g A estabilidade do ciclo de Ni (OH) ₂ NCs / NF em 8 A g ⁻¹ . h Os espectros EIS de Ni (OH) ₂ NCs / NF e Ni (OH) ₂ BNCs / NF

A área CV encapsulada de Ni (OH) ₂ NCs é muito maior do que Ni (OH) ₂ BNCs, demonstrando maior capacitância específica. Os currículos de Ni (OH) ₂ NCs em várias taxas de varredura são representados na Fig. 6c. A curva CV ainda mantém uma forma bem definida, mesmo em uma alta taxa de varredura de 100 mV / s, demonstrando excelente capacidade de taxa e alta reversibilidade eletroquímica. Além disso, a corrente de pico aumenta linearmente com a raiz quadrada das taxas de varredura, revelando que a difusão em massa é o fator dominado (Arquivo adicional 1:Figura S3). Conforme apresentado na Fig. 6d, as curvas GCD de Ni (OH) ₂ NCs mostram tempo de descarga mais longo do que Ni (OH) ₂ BNCs em 1 A g ⁻¹ , provando que Ni (OH) ₂ NCs exibem capacitância específica mais alta do que Ni (OH) ₂ BNCs. A Fig. 6e apresenta as curvas GCD de Ni (OH) ₂ NCs em diferentes densidades de corrente. As capacitâncias específicas calculadas para Ni (OH) ₂ NCs são 539,8, 445,5, 409,4, 391,3, 360,2 e 340,7 F g ⁻¹ em 1, 2, 3, 4, 5 e 6 A g ⁻¹ , respectivamente (Arquivo adicional 1:Figura S4). Esses valores calculados para Ni (OH) ₂ BNCs são 87,3, 77,4, 72,9, 67,8, 64,1 e 60,5 F g ⁻¹ na densidade de corrente correspondente (arquivo adicional 1:Figura S5). As vantagens estruturais para Ni (OH) ₂ Os NCs são ilustrados na Fig. 5f. Em primeiro lugar, o recurso semelhante a uma gaiola fornece quantidades de sítios ativos para as reações de Faraday. Em segundo lugar, a camada fina porosa encurta a distância de migração de elétrons, resultando em alta taxa de transferência de elétrons. Terceiro, o invólucro poroso oferece canais de difusão suficientes para o eletrólito, melhorando a taxa de utilização de Ni (OH) ₂ . A estabilidade do ciclo de Ni (OH) ₂ Os NCs foram avaliados repetindo as medições de GCD em 8 A g ⁻¹ (Fig. 6 g). Percebe-se que a capacitância específica ainda retém 96,9% de seu valor inicial após 2.000 ciclos, que é muito maior do que a de Ni (OH) ₂ BNCs (61,5%, Arquivo adicional 1:Figura S6). Conforme mostrado na inserção, os últimos 10 ciclos mostram pouca diferença em comparação com os primeiros 10 ciclos de carga-descarga, revelando excelente estabilidade. A pequena atenuação da capacitância pode ser atribuída à pequena quantidade de derramamento de Ni (OH) ₂ NCs da NF. O vazio interno e os poros na casca fornecem espaço suficiente para a liberação de uma deformação durante o processo de ciclagem [30].

A fim de confirmar as vantagens da estrutura em forma de gaiola na cinética, os espectros de EIS foram registrados na Fig. 6h e o circuito equivalente foi ilustrado no Arquivo adicional 1:Figura S7. O circuito equivalente é composto principalmente de Rs, Rct, Zw, CPE e CL. Nesse sentido, Rs é a resistência interna do sistema de eletrodos. Rct é a resistência de transferência de carga relacionada ao raio do semicírculo em espectros EIS. Zw é a impendência Warburg correspondente à inclinação do EIS em alta frequência. Embora Ni (OH) ₂ O eletrodo NCs / NF tem mais ou menos o mesmo valor Rs (0,27 Ω) em comparação com Ni (OH) ₂ BNCs / NF (0,25 Ω), Ni (OH) ₂ NCs / NF tem um Rct (120,8 Ω) muito menor do que o de Ni (OH) ₂ BNCs (976,5 Ω), revelando maior taxa de transferência de elétrons. A alta taxa de transferência de elétrons pode ser atribuída a uma camada suficientemente fina de Ni (OH) ₂ NCs. Aparentemente, Ni (OH) ₂ O eletrodo NCs / NF apresenta uma inclinação muito maior do que Ni (OH) ₂ BNCs / NF, demonstrando processo de difusão mais direto. A difusão desimpedida pode ser atribuída aos canais ordenados e à característica porosa de Ni (OH) ₂ Eletrodo NCs / NF. Com base nas discussões acima, Ni (OH) ₂ O eletrodo NCs / NF possui vantagens significativas na cinética eletroquímica em comparação com o Ni (OH) ₂ BNCs / NF.

Desempenho eletroquímico do dispositivo ASC

O dispositivo ASC de Ni (OH) ₂ NCs / NF // AC foi construído de acordo com a Fig. 7a. Ni (OH) ₂ O eletrodo NCs / NF e o AC foram separados por um papel de celulose. Conforme ilustrado na Fig. 7b, a curva CV do eletrodo AC apresenta uma característica quase retangular, revelando um mecanismo de armazenamento EDLC típico. Além disso, o eletrodo AC pode ser ciclado dentro de - 1 a 0 V e Ni (OH) ₂ O eletrodo NCs / NF pode ser ciclado dentro de 0 a 0,6 V, revelando que o dispositivo ASC pode suportar uma tensão de operação de 1,6 V. As curvas CV exibidas na Fig. 7c mostram uma forma bem definida, mesmo em altas taxas de varredura, implicando em massa excelente cinética de transporte e reversibilidade eminente. As curvas GCD do dispositivo ASC em diferentes densidades de corrente foram mostradas na Fig. 7d. A densidade de energia e densidade de potência do dispositivo foram calculadas de acordo com a Fig. 7d. Uma densidade de energia de 23,3 Wh Kg ⁻¹ é alcançado com uma densidade de potência de 800 W Kg ⁻¹ . Uma densidade de energia de 9,6 Wh Kg ⁻¹ ainda é obtido mesmo em uma alta densidade de potência de 8000 W Kg ⁻¹ . A densidade de energia é muito maior do que Ni (OH) ₂ BNCs / NF // AC ASC (Arquivo adicional 1:Figura S8, 3 Wh Kg ⁻¹ a 880 W Kg ⁻¹ ) Além disso, a densidade máxima de energia do ASC também é maior do que a de Ni (OH) ₂ materiais à base de [31, 32]. A estabilidade do ciclo foi estimada repetindo as medições de GCD em 4 A g ⁻¹ para 2.000 ciclos. A capacitância específica final ainda retém 90,1% de seu maior valor e este valor é muito maior do que o de Ni (OH) ₂ BNCs / NF // AC ASC (Arquivo adicional 1:Figura S9, 60%). Além disso, as últimas dez curvas GCD são semelhantes aos primeiros dez ciclos, exibindo excelente estabilidade do dispositivo ASC. Conforme mostrado na Fig. 7f, Ni (OH) ₂ Os NCs ainda retêm a morfologia semelhante a uma gaiola cúbica uniforme após 2.000 ciclos, demonstrando ainda mais a excelente estabilidade dos ciclos. A perda da capacitância específica pode ser atribuída à pequena quantidade de material ativo caindo do NF.

a Esquema do Ni (OH) ₂ NCs / NF // dispositivo AC. b Os currículos de AC e Ni (OH) ₂ Eletrodos NCs / NF em um sistema de três eletrodos. c Os currículos de Ni (OH) ₂ NCs / NF // AC ASC entre 0 e 1,6 V. d Curvas GCD do ASC em diferentes densidades de corrente entre 0 e 1,6 V. e Estabilidade de ciclo do ASC durante 2.000 ciclos a 4 A g ⁻¹ . f As imagens SEM do eletrodo positivo antes e depois da ciclagem

Conclusões

No geral, Ni (OH) ₂ Os NCs foram construídos com sucesso por meio de um método CEP e usados como eletrodo para supercapacitores. Ni (OH) ₂ NCs apresentam uma grande área de superfície específica de 54,7 m ² / ge uma distribuição de tamanho de poro concentrada entre 2,7 e 6,1 nm. A camada fina encurta a rota de transferência e melhora a taxa de transferência de elétrons. Como um eletrodo positivo para supercapacitores, Ni (OH) ₂ NCs / NF exibe uma capacitância específica de 539,8 F g ⁻¹ em 1 A g ⁻¹ , que é muito maior do que Ni (OH) ₂ BNCs / NF // AC (87,3 F g ⁻¹ em 1 A g ⁻¹ ) A capacitância específica ainda retém cerca de 96,9% de seu valor inicial após 2.000 ciclos. O ASC de Ni (OH) ₂ NCs / NF // AC possui uma densidade de energia de 23,3 Wh Kg ⁻¹ a 800 W Kg ⁻¹ , que é muito maior do que Ni (OH) ₂ BNCs (3 Wh Kg ⁻¹ a 880 W Kg ⁻¹ ) Os resultados demonstram que o Ni (OH) projetado ₂ NCs têm aplicações potenciais no campo do armazenamento de energia.