F108/레조르시놀-포름알데히드 복합물의 탄화 및 후속 KOH 활성화에 의해 구별 가능한 미세구조를 갖는 탄소 나노구를 제조하였다. 삼중 블록 공중합체 Pluronic F108의 투여량은 미세 구조 차이에 중요합니다. F108을 첨가하여 미세다공성 구조를 갖는 다분산 탄소 나노구(PCNS), 계층적 다공성 구조를 갖는 단분산 탄소 나노구(MCNS) 및 응집된 탄소 나노구(ACNS)를 얻었다. 그들의 미세 구조와 정전 용량 특성을 주의 깊게 비교했습니다. 단분산 구 및 계층적 다공성 구조의 시너지 효과의 결과로, MCNS 샘플은 향상된 전기화학적 성능, 즉 224F g −1 의 가장 높은 비정전용량을 나타냅니다. (0.2 A g −1 ), 최고의 비율 기능(20A g −1 에서 유지율 73% ), 10,000주기 동안 93%의 가장 우수한 정전용량 유지율을 나타내어 고성능 슈퍼커패시터의 유망한 전극 재료가 될 것입니다.
<섹션 데이터-제목="배경">슈퍼 커패시터는 높은 전력 밀도, 빠른 충전 시간 및 장기 안정성으로 인해 유망한 에너지 저장 장치입니다. 슈퍼커패시터의 성능은 전극 물질의 구조에 크게 좌우된다[1]. 넓은 표면적, 독특한 기공 구조, 우수한 화학적 및 기계적 안정성으로 인해 탄소 재료는 촉매작용[2], 흡착[3], 슈퍼커패시터[4, 5]에 큰 잠재력을 보입니다. 나노구조 탄소 재료는 항상 슈퍼커패시터의 성능을 향상시키도록 설계되었습니다[6, 7].
이 경우 탄소섬유[8], 탄소막[9], 다공성 구조를 포함하는 탄소구[10,11,12,13,14,15,16]를 합성하여 슈퍼커패시터의 전극을 제작한다. 탄소 구체와 비교하여 탄소 섬유 또는 필름은 전하 저장 및 전달의 이점이 있는 것으로 입증된 3차원 상호 연결된 아키텍처가 결여되어 있습니다. 미세다공성 탄소구[10, 11], 벌레 모양의 메조다공성 탄소구[12], 정렬된 메조세공 탄소[13,14,15]를 생산하기 위해 많은 작업이 수행되었습니다. 구조가 다른 탄소 구체는 모두 우수한 전기화학적 성능을 보여줍니다. 그러나 다양한 합성 시스템에서 준비된 다른 구조의 탄소 구체로 인해 다른 구조의 영향에 대해 체계적으로 연구되지 않았습니다.
이 논문에서는 삼중 블록 공중합체 Pluronic F108을 템플릿으로 사용하여 동일한 프로토콜을 사용하여 구별 가능한 미세 구조, 즉 단분산 탄소 나노구(MCNS), 다분산 탄소 나노구(PCNS) 및 응집된 탄소 나노구를 가진 세 종류의 탄소 나노구를 준비합니다. (ACNS). 우리는 전기화학적 성능이 탄소 나노구에 따라 다르다는 것을 발견했습니다. MCNS 샘플은 224F g −1 의 가장 높은 비정전용량을 보여줍니다. (0.2 A g −1 ), 최고의 비율 기능(20A g −1 에서 유지율 73% ), 10,000주기 동안 93%의 가장 우수한 정전 용량 유지율을 제공합니다. 더 중요한 것은 단분산 구와 계층적 다공성 구조의 시너지 효과가 MCNS의 더 나은 전기화학적 성능에 기여한다는 것입니다.
F108/레조르시놀-포름알데히드 복합물은 트리블록 공중합체 Pluronic F108(Mw =14,600, PEO132 -PPO50 -PEO132 ) 탄소원으로 템플릿 및 페놀 수지. 그런 다음, 준비된 합성물을 탄화시킨 후 KOH 활성화를 통해 단분산 탄소 나노구(MCNS)를 얻었다. 일반적인 합성에서 0.9g의 F108을 먼저 30ml의 탈이온수에 용해시켜 투명한 용액을 형성했습니다. 그런 다음 1.2g의 페놀과 4.2ml의 포르말린 수용액(37wt%)을 30ml의 NaOH 용액(0.1M)에 혼합하여 70℃에서 반응시켰다. 0.5시간 후, 제조된 F108 용액을 첨가하고 침전물이 관찰될 때까지 혼합 용액을 66℃에서 10시간 더 교반하였다. 얻어진 용액을 3배로 희석하고 130℃에서 24시간 동안 열수 반응을 시켰다. 수집 및 헹굼 후, 생성물은 700°C에서 3시간 동안 탄화되었으며, 이를 MCNS(mCNS)용 중간 탄화 탄소 나노구로 표시했습니다. 그 후, mCNS는 MCNS 샘플을 얻기 위해 700°C에서 1시간 동안 1:2의 질량 라디오에서 KOH로 활성화되었습니다. PCNS 및 ACNS의 최종 생성물은 동일한 프로토콜에 의해 0.6 및 1.8g 삼중 블록 공중합체 Pluronic F108을 사용하여 얻습니다. PCNS 및 ACNS의 혼합 용액의 교반 시간은 각각 5.5시간 및 15시간입니다.
샘플의 형태는 주사 전자 현미경(SEM, HELIOS Nanolab 600i) 및 투과 전자 현미경(TEM, Tecnai G2 F20 STWIX)으로 특성화되었습니다. 샘플의 기공 구조는 77K에서 가속 표면적 및 다공성 측정 시스템(ASAP 2020)을 사용하여 질소 흡착-탈착 측정으로 분석되었습니다.
샘플의 전기화학적 성능은 전기화학적 워크스테이션(CHI660E)으로 테스트되었습니다. 작동 전극은 MCNS, 아세틸렌 블랙 및 폴리(테트라플루오로에틸렌)을 80:10:10의 질량비로 포함했습니다. 각 1cm 2 작업 전극에는 약 3mg의 MCNS가 포함되어 있습니다. 동일한 제조 방법을 사용하여 PCNS 및 ACNS 전극을 제조했습니다. 3 전극 시스템은 준비된 작업 전극, 상대 전극으로 백금 호일, KOH 수용액(6M)에서 기준 전극으로 Hg/HgO로 구성되었습니다. MCNS, PCNS 및 ACNS의 전기화학적 성능을 조사하기 위해 순환 전압 전류법(CV), 시간 전위차계(CP) 및 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 기술을 수행했습니다.
샘플의 형태는 SEM 및 TEM에 의해 연구되었으며 그림 1에 나와 있습니다. MCNS, PCNS 및 ACNS의 SEM 이미지(그림 1a-c)에서 MCNS와 PCNS는 구형 형태를 갖지만 ACNS는 집합체입니다 불규칙한 모양의 탄소. 또한, 얻어진 MCNS는 크기가 균일하지만(직경 140nm) PCNS는 크기 분포가 넓습니다. MCNS, PCNS 및 ACNS의 TEM 이미지는 미세 구조를 추가로 보여줍니다. 그림 1d에서 MCNS는 단분산 탄소 나노구이며 HRTEM 분석은 MCNS의 계층적 다공성 구조를 나타냅니다. 그림 1e와 같이 PCNS는 다분산입니다. 또한 그림 1f는 ACNS가 단단히 덩어리져 있고 분산되지 않음을 보여줍니다. F108의 투여량이 최종 제품의 입도 분포 및 분산성에 큰 영향을 미치는 것은 분명합니다.
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모든 샘플의 형태. a의 SEM 이미지 MCNS, b PCNS 및 c ACNS; d의 TEM 이미지 다른 배율의 MCNS, e PCNS 및 f ACNS
모든 샘플의 기공 구조는 N2로 추정되었습니다. 흡착-탈착 측정은 표 1에 요약되어 있습니다. PCNS 샘플은 전형적인 미세다공성 구조를 나타내는 반면 mCNS, MCNS 및 ACNS 샘플은 계층적 다공성 구조를 나타냅니다. 그림 2a에서 모든 샘플은 P 미만의 급격한 흡수를 갖는 유사 유형 I 등온선을 보여줍니다. /피 0 =0.01, 많은 미세기공이 존재함을 나타냅니다. 높은 상대 압력에서 H3 히스테리시스 루프는 mCNS, MCNS 및 ACNS의 등온선에서 관찰될 수 있으며, 이는 주로 개별 입자와 중간 기공 사이의 공극으로 인한 간극형 기공 구조의 존재를 시사합니다. 기공 분포 곡선(그림 2b)은 PCNS의 미세 기공 구조와 mCNS, MCNS 및 ACNS에서 발달된 미세 기공과 중간 기공의 공존을 직관적으로 보여줍니다. mCNS 샘플이 유사한 N2 흡착/탈착 등온선과 MCNS의 기공 크기 분포 곡선은 기공 구조가 유사함을 나타냅니다. 그러나 mCNS의 기공 부피(0.423cm 3 g −1 )는 MCNS보다 낮습니다(0.645cm 3 ). g −1 ). 따라서 KOH 활성화는 기공 부피를 증가시켜 MCNS의 계층적 다공성 구조에 기여합니다. MCNS에 비해 PCNS의 모공 부피(0.37cm 3 g −1 ) 무시할 수 있는 중간 기공으로 급격히 감소하고 ACNS는 유사한 기공 부피(0.649cm 3 )를 나타냅니다. g −1 ) 감소된 중간 기공과 함께. MCNS의 중요한 메조다공성은 주로 느슨하게 응집된 단분산 탄소 나노구 때문입니다. PCNS의 다분산성과 ACNS의 응집체는 개별 입자 사이의 중간 기공 형성에 반대되는 것이 분명합니다. F108을 추가하면 주로 탄소 나노구의 균일한 크기를 유지하여 미세 다공성 PCNS가 계층적 다공성 MCNS로 변환됩니다. 그러나 과도한 F108은 탄소 나노구의 집합체를 초래합니다. 분명히 PCNS, MCNS 및 ACNS의 다공성 구조 차이는 주로 F108의 추가로 인해 발생합니다.
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N2 모든 샘플의 흡착-탈착 측정. 아 N2 흡착/탈착 등온선 및 b 기공 크기 분포
그림 3과 같이 MCNS, PCNS, ACNS의 전기화학적 성능을 평가 및 비교하였다. 10mV s −1 에서 다양한 샘플의 일반적인 CV 곡선 그림 3a에 나와 있습니다. CV 곡선의 일부 확장된 혹이 있는 준 직사각형 모양은 전기 이중층 커패시턴스와 의사 커패시턴스의 시너지 효과입니다[17]. MCNS의 CV 곡선의 주변 면적이 클수록 MCNS의 비정전용량이 PCNS 및 ACNS의 비정전용량보다 높음을 나타냅니다. 그림 3b는 0.2 A g −1 에서 서로 다른 샘플의 CP 곡선을 비교합니다. . 계산된 MCNS의 비정전용량(224 F g −1 )는 PCNS보다 큽니다(201 F g −1 ). ) 및 ACNS(182 F g −1 ). 특정 커패시턴스는 다양한 전류 밀도에서 CP 곡선으로 계산되었습니다(그림 3c). 20 A g −1 에서 , MCNS, PCNS, ACNS는 72.7, 70.6, 70.5%의 비정전용량 유지율을 보였다. MCNS의 더 높은 비정전용량과 더 나은 속도 성능은 PCNS 및 ACNS보다 MCNS의 우수한 구조에 기인할 수 있습니다. 단분산 구체는 전달 반응을 위한 전극/전해질 계면을 확장하고 고속 전달을 위한 "이온 완충 저장소" 역할을 할 수 있는 상당한 중간 기공을 생성합니다. 또한, 탄소 구체 내부의 약간 메조기공은 질량 수송을 위한 덜 제한된 확산 경로를 제공하는 데 중요합니다. 또한, 개발된 미세 기공은 효과적인 전하 축적을 위해 전해질 이온에 넓은 표면적을 제공합니다. 또한, 응집된 탄소 구체(ACNS)는 계층적 다공성 구조와 확대된 비표면적을 나타냅니다. MCNS에 비해 ACNS의 전기화학적 성능이 저하됩니다. 결과는 전기화학적 성능 향상에 있어 단분산 구체의 중요성을 보여줍니다. 분명히, 단분산 구와 계층적 다공성 구조 사이의 시너지 효과는 MCNS의 더 나은 전기화학적 성능에 기여합니다. 그림 3d는 10A g −1 에서의 사이클링 테스트 결과를 나타냅니다. 10,000 주기 동안 10,000번의 주기 동안 MCNS, PCNS, ACNS에 대해 각각 초기 정전 용량의 93%, 90%, 93%가 유지되었습니다. Nyquist 플롯은 그림 3e와 같이 EIS 테스트에 의해 제공되었습니다. MCNS(0.76Ω)의 등가 직렬 저항(ESR) 값은 PCNS(1.02Ω) 및 ACNS(1.08Ω)보다 작아서 MCNS의 전기 전도도가 더 우수함을 나타냅니다. 또한, 그림 3f에서 MCNS, PCNS 및 ACNS의 위상각은 이상적인 커패시터의 경우 - 90°에 가깝습니다[18]. 구체적으로, MCNS, PCNS, ACNS의 위상각은 각각 - 84.5°, - 80.5°, - 81.4°이다. 전기화학적 성능을 전반적으로 고려할 때 MCNS가 PCNS 및 ACNS보다 우수합니다. 따라서 이러한 MCNS는 슈퍼커패시터용 전극재료로서 큰 잠재력을 보인다.
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MCNS, PCNS 및 ACNS의 전기화학적 성능. 아 10mV s −1 에서 CV 곡선 . ㄴ 0.2 A g −1 에서 CP 곡선 . ㄷ 다른 전류 밀도에서의 특정 커패시턴스. d 10 A g −1 에서 사이클링 테스트 . 이 Nyquist는 10mHz~10kHz의 주파수 범위에서 플롯합니다. 에 보드 각도 플롯
F108의 투여량이 증가함에 따라 다분산 탄소 나노구(PCNS), 단분산 탄소 나노구(MCNS) 및 응집된 탄소 구(ACNS)의 세 가지 다른 탄소 구를 성공적으로 얻었습니다. 세 개의 탄소 구 사이의 다공성 구조 차이는 주로 F108의 추가로 인해 발생합니다. 제조된 MCNS는 계층적 기공 구조를 갖는 균일한 입자 크기를 갖는 반면, PCNS는 넓은 크기 분포 및 미세 다공성 구조를 나타내지만 ACNS는 단단히 응집되어 비분산성이다. MCNS, PCNS, ACNS는 서로 다른 전기화학적 성능을 보였다. 단분산 구와 계층적 다공성 구조의 시너지 효과는 MCNS의 더 나은 전기화학적 성능에 기여합니다. PCNS 및 ACNS와 비교하여 준비된 MCNS는 224 F g −1 의 가장 높은 비정전용량을 나타냅니다. 0.2 A g −1 에서 , 최고의 속도 성능, 10,000주기 동안 93%의 가장 우수한 정전 용량 유지율로 인해 고성능 슈퍼 커패시터의 후보가 되었습니다.
응집된 탄소 나노구
시간 전위차계
순환 전압전류법
전기화학 임피던스 분광법
등가 직렬 저항
MCNS용 중간 탄화 탄소 나노구
단분산 탄소 나노구
다분산 탄소 나노구
나노물질
초록 여기에서 우리는 바이오 폐기물 Kusha grass(Desmostachya bipinnata ), 화학 공정을 사용한 후 KOH를 통한 활성화에 의해. 합성된 다층 활성탄은 X선 분말 회절, 투과전자현미경, 라만 분광기법을 통해 확인되었다. 준비된 샘플의 화학적 환경은 FTIR 및 UV-가시광선 분광기를 통해 액세스되었습니다. 합성된 물질의 표면적과 다공성은 Brunauer-Emmett-Teller 방법을 통해 접근되었습니다. 모든 전기화학적 측정은 순환 전압전류법(Cyclic voltammetry)과 검류계 충방전(GCD)
초록 전형적인 슈퍼커패시터 전극 물질인 층상 이중 수산화물은 구조가 잘 조절되면 우수한 에너지 저장 성능을 나타낼 수 있습니다. 이 연구에서 다양한 니켈-코발트 층상 이중 수산화물(NiCo-LDHs)을 제조하기 위해 간단한 1단계 열수 방법이 사용되며, 여기서 다양한 요소 함량이 NiCo-LDH의 다양한 나노구조를 조절하는 데 사용됩니다. 결과는 요소 함량의 감소가 NiCo-LDH의 분산성을 효과적으로 개선하고 두께를 조정하며 내부 기공 구조를 최적화하여 정전 용량 성능을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 니켈(0.06g) 대 코발
