고성능 슈퍼커패시터 전극을 위한 조정 가능한 박막 나노시트를 사용한 니켈–코발트 수산화물

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 코발트(0.02g)의 고정된 전구체 물질 질량비 3:1에서 요소의 함량을 0.03에서 0.0075g으로 감소시켰을 때, 제조된 샘플 NiCo-LDH-1은 1.62nm의 두께를 나타냄 , 그리고 투명한 박막 나노시트 구조와 다수의 표면 기공이 형성되어 전극 물질로의 이온 전달에 유리하다. 슈퍼커패시터 전극으로 준비된 NiCo-LDH-1은 3982.5F g⁻¹ 의 초고비정전용량을 나타냅니다. 1A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 10A g⁻¹ 의 높은 전류 밀도에서 1000번의 충전 및 방전 사이클 후 93.6% 이상의 높은 정전 용량 유지 . NiCo-LDH-1의 우수한 전기화학적 성능은 95F g⁻¹ 의 비정전용량을 나타내는 탄소 구체와 2전극 비대칭 슈퍼커패시터를 조립하여 입증되었습니다. 1A에서 g⁻¹ 1000회 주기 동안 78%의 정전 용량 유지율을 제공합니다. 현재 연구는 NiCo-LDH의 나노구조를 제어하는 손쉬운 방법을 제공하고, 슈퍼커패시터 전극의 정전용량 성능 향상에 대한 요소의 중요한 영향을 확인하고, 고성능 슈퍼커패시터의 개발에 대한 높은 가능성을 제공합니다.

소개

슈퍼커패시터는 환경 친화적인 에너지 저장 장치로서 긴 수명, 우수한 가역성, 높은 전력 밀도 및 높은 신뢰성 등의 고유한 장점으로 인해 많은 관심을 받고 있습니다[1,2,3]. 최근 몇 년 동안 전기 자동차, 스마트 웨어러블 장치 및 휴대용 컴퓨터와 같은 많은 잠재적 응용 프로그램에 잠재적으로 적용되어 미래의 에너지 활용 및 저장에 큰 의미가 있습니다. 그러나 슈퍼커패시터의 낮은 에너지 밀도는 항상 추가 개발을 제한하는 중요한 이유였습니다. 슈퍼커패시터의 용량을 결정짓는 결정적인 요소는 전극물질의 전기화학적 성질이라는 것은 잘 알려져 있다. 따라서 현재 주요 솔루션은 우수한 전기화학적 특성을 갖는 전극 재료를 개발하는 것입니다[4,5,6,7,8,9]. 탄소 재료[10,11,12,13], 전이 금속 산화물[14], 전이 금속 수산화물(TMH)[15,16,17] 및 전도성 고분자[18]는 슈퍼 커패시터 전극으로 사용되는 주요 재료입니다. 그 중 TMH의 다중 하이브리드 나노 물질은 시너지 효과의 존재, 우수한 화학 조성 제어성, 우수한 산화 환원 활성 및 우수한 음이온 교환 성능의 존재로 인해 탐사의 강력한 추세가되었습니다. 전형적인 TMH로서, 니켈-코발트 수산화물은 저렴한 가격, 간단한 제조 과정 및 높은 이론 용량 때문에 선호된다. 그러나 간단한 방법으로 니켈-코발트 수산화물의 고성능 전극 재료를 얻는 것은 여전히 큰 도전입니다.

니켈-코발트 수산화물의 전기화학적 특성은 특수한 형태학적 나노구조[19,20,21,22,23]와 금속 이온의 조성[24,25]에 크게 의존합니다. 이전 연구에서 Wu et al. [26] 2960Fg⁻¹ 의 높은 비정전용량을 제공하는 합성 바나듐 도핑 계층적 다공성 니켈-코발트 층상 이중 수산화물 나노시트 어레이 1A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 . Yanet al. [27]은 2158.7 F g^-1 의 비정전용량을 나타내는 수국과 같은 형태를 가진 니켈-코발트 층으로 된 이중 수산화물 중공 미소구체를 설계했습니다. 1A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 . 저항을 낮추고 전극 재료의 전기 전도도를 높이며 높은 비표면적을 가진 다른 특수한 형태를 얻기 위한 다른 노력이 있었습니다. 활물질이 기판 표면에서 성장하면 전해질 이온과 활물질 사이의 완전한 접촉을 보장하고 반응 효율을 향상시킬 수 있는 층상 3차원 구조를 형성할 것입니다. 이를 바탕으로 Ouyang et al. [28] 2047 Fg^-1 의 높은 비정전용량을 얻었습니다. 1A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 바이오 매스 다공성 탄소에서 성장한 계층 구조의 구형 니켈-코발트 층 이중 수산화물 입자를 제조함으로써. Zhaet al. [29] 2553.9 F g⁻¹ 의 낮은 저항과 높은 비정전용량을 나타내는 Ni 폼에 매우 개방된 니켈-코발트 황화물 나노시트를 성공적으로 설계 및 제작했습니다. 0.5A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 . 불행히도 니켈-코발트 층상 수산화물에 대한 이전 연구에서 큰 진전이 있었지만 전극 재료로서 대부분의 비정전용량은 여전히 3000F g⁻¹ 미만으로 유지됩니다. .

이 연구에서 우리는 니켈 폼 위에 NiCo-LDH를 성장시키고 전극 물질의 나노구조를 조정하여 전하 저장 용량을 향상시키는 손쉽고 효과적인 전략을 제안합니다. NiCo-LDH는 3:1의 고정된 Ni 대 Co 질량 비율에서 요소의 함량을 줄임으로써 쉽게 조정되는 분산, 두께 및 다공성을 포함하는 구조를 갖는 1단계 열수 공정으로 제조됩니다. 최적의 NiCo-LDH-1은 약 1.62nm의 두께와 명백한 다공성 구조를 가진 박막 나노시트를 표시합니다. 다공성 박막 구조는 산화 환원 반응에 대한 풍부한 활성 부위를 제공하고 전해질과 전극 재료의 친화력을 증가시키며 전해질 이온의 확산 저항과 이동 거리를 줄일 수 있습니다. 결과적으로 NiCo-LDH-1은 3982.5F g⁻¹ 의 초고비정전용량을 나타냅니다. 1A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 , 10A g⁻¹ 의 높은 전류 밀도에서 1000회 충전 및 방전 후 93.6% 이상의 높은 정전 용량 유지 . NiCo-LDH-1의 우수한 전기화학적 성능은 95F g⁻¹ 의 비정전용량을 나타내는 탄소 구체와 2전극 비대칭 슈퍼커패시터를 조립함으로써 더욱 입증되었습니다. 1A에서 g⁻¹ 1000회 주기 동안 78%의 정전 용량 유지율을 제공합니다.

방법

니켈 폼(NF, 1cm² ) 실험에 사용된 것은 중국 Canrd Co., Ltd.에서 제공한 것입니다. 사용 전 2M HCl에서 15분간 초음파 처리하여 표면에 부착된 산화물을 제거한 후 다량의 탈이온수와 에탄올로 세척하여 표면의 이온을 제거하였다. 그 후 60°C에서 3.5시간 동안 진공 건조했습니다. 다른 모든 화학 물질은 분석 등급으로 중국의 Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.에서 구입하여 추가 정제 없이 사용했습니다.

일반적인 절차에서 먼저 0.06g NiCl₂ ·6H₂ O 및 0.02g CoCl₂ ·6H₂ O를 80ml의 탈이온수에 15분 동안 초음파 처리하여 용해했습니다. 둘째, 요소를 혼합 용액에 넣고 고체가 완전히 분산될 때까지 10분 동안 초음파 처리를 유지했습니다. 그런 다음 한 면에 내열성 테이프가 있는 NF를 질량을 측정한 후 테프론 라이닝된 스테인리스 스틸 오토클레이브의 바닥에 대각선으로 부착했습니다. 마지막으로 균질한 용액을 오토클레이브에 옮기고 100°C에서 8시간 동안 유지했습니다. 반응 후 냉각된 NiCo-LDHs가 증착된 NF를 꺼내고 탈이온수로 세척하여 표면에 부착된 불순물을 제거한 다음 진공 조건에서 60°C에서 4시간 동안 건조했습니다. 요소의 총 함량은 각각 NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 및 NiCo-LDH-3의 샘플에 해당하는 0.0075, 0.015 및 0.03g이었습니다. urea를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 위에서 언급한 것과 같은 방법으로 제조한 샘플을 NiCo-LDH-0으로 명명하였다.

재료의 결정 구조를 측정하기 위해 X선 자동 회절계(XRD, D8 Advance)를 사용하였다. X선 광전자 분광계(XPS, ESCALAB 250Xi)를 사용하여 물질의 원소가와 함량을 측정하였다. 고진공 및 저진공 주사전자현미경(SEM, JSM-6360LV)을 사용하여 시료 표면의 미세구조의 형태 및 조성을 관찰하였다. 투과전자현미경(TEM, TF20 Jeol 2100F)을 이용하여 물질의 미세구조를 관찰하였다. AFM(Atomic Force Microscope, Dimension Icon)을 사용하여 나노미터 분해능으로 표면 지형 구조 정보와 표면 거칠기 정보를 얻었습니다. Energy-dispersive X-ray spectroscopy element mapping(EDS mapping)은 원소 분포를 측정하는 데 사용되었습니다.

1M KOH 용액의 일반적인 3전극 시스템을 사용하여 전기화학적 성능을 테스트했습니다. 준비된 전극재료로 성장시킨 니켈폼을 작업전극으로 하고, 상대전극으로 백금판과 기준전극으로 포화칼로멜 전극을 각각 사용하여 순환전압전류계(CV), 정전류 충방전 곡선(GCD)을 나타내었다. ), 전기화학적 임피던스(EIS) 및 사이클 안정성 테스트를 측정했습니다. 특정 커패시턴스 C _ㄷ (F g⁻¹ ) 및 특정 용량 Q (Cg⁻¹ )은 정전류 방전 곡선에 의해 얻은 매개변수에 따라 계산할 수 있으며 식은 다음과 같습니다.

$$\begin{array}{c}{ C}_{c}=\frac{I\times \Delta t}{\Delta V\times m}\end{array}$$ (1) $$\begin {array}{c}Q=\frac{I\times \Delta t}{m}\end{array}$$ (2)

나 (A)는 방전 전류를 나타냅니다. Δt (s) 방전 시간을 의미합니다. ΔV (V) 방전 전위 창을 제공합니다. 그리고 나 (g) 활성 물질의 질량에 해당하며 약 0.0012g입니다.

비대칭 슈퍼커패시터(ASC)는 Q_s+로 전하의 균형을 맞춘 후 2전극 시스템으로 제작됩니다. m_s+ =Q_s- m_s- . NiCo-LDH-1/NF를 양극으로 사용하고 음극은 NF에 탄소구체, 카본블랙, PTFE를 8:1:1의 비율로 혼합하여 얻는다. 전해액은 3전극 시스템과 동일하며 ASC의 전위창 범위는 0 ~ 1.4 V입니다. 실제 전기화학적 성능을 검토하기 위해 비에너지 밀도 E _ㄷ (W h kg⁻¹ ) 및 특정 전력 밀도 P _ㄷ (Wkg⁻¹ ) 비대칭 구성의 경우 다음과 같이 계산됩니다.

$$\begin{array}{c}{E}_{c}=\frac{{C}_{c}{\left(\Delta V\right)}^{2}}{2\times 3.6} \end{array}$$ (3) $$\begin{array}{c}{P}_{c}=\frac{{E}_{c}\times 3600}{\Delta t}\end{ 배열}$$ (4)

나 (A)는 방전 전류를 나타냅니다. Δt (s) 방전 시간을 제공합니다. ΔV (V) 잠재적 창에 해당합니다. 나 (g)는 양극과 음극의 총 활성 질량을 의미하며 약 0.0065g입니다.

결과 및 토론

그림 1은 다양한 요소 함량으로 준비된 NF에서 성장한 NiCo-LDH의 미세 구조와 형태를 보여줍니다. 그림 1a–l은 각각 SEM 이미지, AFM 이미지 및 샘플의 두께를 보여줍니다. 그림 1a에서 볼 수 있듯이 합성된 NiCo-LDH-3는 NF와 평행한 수평 방향으로 적층되고 짜여진 시트형 구조를 표시합니다. 시트형 구조는 요철이 없고 접착력이 강합니다. 요소 함량이 점차 감소함에 따라 NiCo-LDH는 수직 방향으로 점차 성장하고 NF에 수직입니다. 그림 1c와 같이 urea의 함량을 0.0075g으로 줄였을 때 NiCo-LDH-1의 나노시트가 NF의 표면에 얽혀 분포되어 있어 명백한 3차원 구조와 풍부한 기공 구조를 형성한다. 레이어. 이러한 나노시트의 형태는 전극의 비표면적을 증가시켜 반응을 위한 풍부한 반응성 부위를 제공하는 데 도움이 됩니다[30]. 따라서 전해질과의 접촉면을 크게 증가시켜 전기화학 반응을 촉진하여 전기화학 반응에서 큰 비정전용량을 기여할 수 있다[31]. 그림 1e–l은 NiCo-LDHs 나노시트의 두께를 감지하기 위한 AFM 이미지입니다. NiCo-LDH-3, NiCo-LDH-2 및 NiCo-LDH-1 샘플의 경우 해당 두께는 각각 3.29, 2.52, 1.62nm입니다. 재료의 나노시트의 두께는 요소의 함량이 감소함에 따라 점차적으로 감소하는 것으로 나타났다. NiCo-LDH-1의 초박형 구조는 기공 구조 형성에 좋은 조건을 제공하고 이온 전달까지의 거리를 단축시킵니다. 그러나 NiCo-LDH-0의 SEM 이미지(그림 1d)는 요소를 첨가하지 않고 제조된 샘플도 시트와 같은 구조를 나타내지만 두께는 3.31nm(그림 1h, l)보다 두껍다는 것을 보여줍니다. 요소로 준비된 다른 샘플. 이는 NiCo-LDH의 미세구조와 형태가 요소의 함량에 의해 영향을 받을 수 있음을 의미합니다. 요소에 포함된 샘플을 얻는 과정에서 요소는 천천히 NH₃로 분해됩니다. 및 CO₂ 고온에서 CO₃를 추가로 생성합니다. ²⁻ , NH₄ ⁺ 그리고 오⁻ 물과의 반응으로 이온. 요소 함량이 낮은 조건에서 Co²⁺ 및 Ni²⁺ 이온은 OH^- 와의 접촉 부위가 거의 없습니다. , 더 얇은 층의 나노시트 구조를 형성할 것입니다[32]. 그럼에도 불구하고 Urea 없이 시료를 준비하는 과정에서 Etching이 발생하지 않습니다. 그 결과 urea를 첨가한 시료에 비해 urea를 첨가하지 않은 시료의 두께가 두꺼워진다.

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아 –d 샘플의 SEM 이미지:a NiCo-LDH-3, b NiCo-LDH-2, c NiCo-LDH-1, d NiCo-LDH-0; 이 –h 샘플의 AFM 이미지:e NiCo-LDH-3, f NiCo-LDH-2, g NiCo-LDH-1, h NiCo-LDH-0; 나 –나 샘플의 두께:i NiCo-LDH-3, j NiCo-LDH-2, k NiCo-LDH-1, l NiCo-LDH-0

NiCo-LDH의 XRD 스펙트럼은 그림 2a에 나와 있습니다. 표준 PDF 카드와 비교한 후 모든 재료를 Ni_0.75로 할당할 수 있습니다. 공동_0.25 (CO₃ )_0.125 (OH)_{2 0.215} ·0.38H₂ 오(PDF#40–0216). 11.59°, 23.14°, 34.95°, 39.40°, 62.44° 및 65.96°의 2θ에서의 회절 피크는 니켈-코발트 수산화물(003), (006), (012), (015), (113) 및 116) 크리스탈 평면, 각각. NiCo-LDH-1의 세부적인 미세 형태는 TEM에 의해 추가로 특성화됩니다. 그림 2b-d에서 볼 수 있듯이 NiCo-LDH-1은 얇은 다공성 층으로 나타나며 층 사이에 스택이 거의 없습니다. 감소된 요소 함량은 재료의 분산성을 향상시키고 층 사이의 측면 적층을 감소시키기 때문입니다. 3차원 성장 구조는 재료의 시트 구조를 더 얇게 만들고 명백한 기공을 가지고 있습니다. 박막 다공성 구조의 존재는 전해질이 전극 재료에 침지되는 것을 크게 증가시키고 전해질 이온의 확산 저항 및 이동 거리를 감소시킬 수 있습니다[33].

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아 샘플의 X선 회절 패턴; ㄴ –d NiCo-LDH-1의 TEM 이미지

그림 3은 NiCo-LDH-1의 XPS 분석을 보여줍니다. 그림 3a의 Ni 2p XPS 스펙트럼의 경우 Ni 2p_1/2에 해당하는 873.1 및 855.5eV 주변에서 두 개의 주요 피크가 관찰됩니다. 및 Ni 2p_3/2 , 각각. 874.4 및 856.5eV에서 결합 에너지가 있는 피크는 Ni³⁺ 에 기인합니다. , 873.1 및 855.3 eV의 피팅 피크는 Ni²⁺ 에 해당합니다. [34, 35]. 한편, 872.1 및 854.2eV의 피크는 Ni⁰ 의 존재를 의미합니다. 이는 NF에 기인하고 878.8 및 861.2eV의 다른 두 피크는 위성 피크에 할당될 수 있습니다. 유사하게, 그림 3b는 Co 2p의 맞는 XPS 스펙트럼을 보여주고 796.1 및 780.8eV에 위치한 두 개의 주요 피크는 Co 2p_1/2로 인덱싱됩니다. 및 공동 2p_3/2 , 각각. 796.9 및 781.5 eV의 이중선은 Co²⁺ 와 일치합니다. , 795.5 및 780.1 eV의 다른 이중선은 Co³⁺ 와 일치합니다. [35, 36]. 해당 위성 피크는 784.9 및 803.7 eV입니다. O 1 s 스펙트럼은 그림 3c에 나와 있으며, 여기서 529.6, 531 및 532.5 eV를 중심으로 하는 피크는 금속과 결합된 산소(O1), 배위가 낮은 결함 산소(O2) 및 내부의 산소에 할당되어야 합니다. 물(O3)은 표면과 표면 내부에 각각 물리적 및 화학적으로 결합되어 있습니다. 이러한 결과는 NiCo-LDH-1이 원자가 상태의 풍부한 분포를 가지고 있음을 보여주며, 이는 전기화학적 성능 향상에 도움이 됩니다.

<그림>

a의 X선 광전자 스펙트럼 Ni 2p, b 공동 2p 및 c NiCo-LDH-1의 1개

NiCo-LDH-1의 EDS 매핑 다이어그램은 그림 4a-d에 나와 있습니다. XPS의 결과와 일치하는 Ni, Co, O 원소가 재료 전체에 균일하게 분포되어 있음을 그림에서 알 수 있습니다.

<그림>

아 NiCo-LDH-1의 SEM; b의 EDS 요소 매핑 다이어그램 니, c 공동 및 d NiCo-LDH-1의 O

NiCo-LDH의 전기화학적 성능을 테스트하기 위해 CV, GCD EIS 및 사이클 안정성 테스트가 일반적인 3전극 테스트 시스템에서 수행됩니다. 그림 5a는 다양한 스캔 속도에서 NiCo-LDH-1의 순환 전압전류 곡선을 보여줍니다. 모든 시료에서 명백한 산화피크와 환원피크가 관찰되었으며, 고정 주사율에서 양극과 음극의 면적이 기본적으로 동일함을 알 수 있어 전극물질의 가역성이 우수함을 알 수 있다. 산화 환원 반응은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

<그림>

아 다른 스캔 속도에서 NiCo-LDH-1의 CV 곡선; ㄴ 5mV s⁻¹ 의 스캔 속도에서 샘플의 CV 곡선; ㄷ 다른 전류 밀도에서 NiCo-LDH-1의 GCD 곡선; d 1A g⁻¹ 에서 샘플의 GCD 곡선; 이 10 A g⁻¹ 에서 NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 및 NiCo-LDH-0의 순환 안정성 다이어그램; 에 NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 및 NiCo-LDH-0의 나이퀴스트 플롯

$$\begin{array}{c}{Ni\left(OH\right)}_{2}+{OH}^{-}\leftrightarrow NiOOH+{H}_{2}O+{e}^{-} \end{array}$$ (5) $$\begin{array}{c}{Co\left(OH\right)}_{2}+{OH}^{-}\leftrightarrow CoOOH+{H}_{ 2}O+{e}^{-}\end{array}$$ (6) $$\begin{array}{c}CoOOH+{OH}^{-}\leftrightarrow Co{O}_{2}+{ H}_{2}O+{e}^{-}\end{배열}$$ (7)

그림 5b는 5mV s⁻¹ 스캔 속도에서 NiCo-LDH의 순환 전압전류 곡선을 나타냅니다. . NiCo-LDH-1의 산화 및 환원 피크 전류는 NiCo-LDH-2, NiCo-LDH-3 및 NiCo-LDH-0의 것보다 현저히 높고, NiCo-LDH의 피크 폭과 피크 전류 세기는 순차적으로 증가합니다. 이전 문헌[37]에 따르면 곡선으로 둘러싸인 영역은 정전용량에 대한 재료의 기여도를 반영할 수 있습니다. 동일한 스캔 속도 및 전압 창 아래에 포함된 적분 영역이 클수록 재료의 커패시턴스 성능이 향상되므로 요소 함량을 줄여서 조절된 NiCo-LDH-1은 커패시턴스 성능을 더 좋게 만듭니다. 또한 5mV s⁻¹ 에서 NF의 CV 곡선에서 관찰할 수 있습니다. NF에 대한 CV 곡선의 면적은 다른 샘플에 비해 무시할 수 있으며, 이는 NF의 커패시턴스 기여도가 미미함을 나타냅니다.

다양한 전류 밀도에서 NiCo-LDH-1의 정전류 충전 및 방전 곡선이 그림 5c에 나와 있습니다. 분명히 NiCo-LDH-1은 4166(1667 C g⁻¹ ) 및 3982.5 F g⁻¹ (1593 Cg⁻¹ ) 0.5 및 1A의 전류 밀도에서 g⁻¹ , 각각. 10A g⁻¹ 의 강한 전류 밀도에서 , 2550F g⁻¹ 의 비정전용량 (1020Cg⁻¹ )은 여전히 유지될 수 있습니다. <표 1>과 같은 문헌의 결과와 비교해보면 우리의 작업이 더 유리하다.

그림 5d는 동일한 전류 밀도 및 전압 창에서 NiCo-LDH의 정전류 충전 및 방전 곡선입니다. 요소 함량이 감소하면 NiCo-LDH의 충방전 시간이 차례로 길어지는 것을 관찰할 수 있습니다. 특정 커패시턴스가 2405F g⁻¹ 에서 변경됩니다. (962Cg⁻¹ ) NiCo-LDH-3 ~ 3052.5 F g⁻¹ (1221C g⁻¹ ) NiCo-LDH-2의 경우 최종적으로 3982.5 F g⁻¹ 로 증가합니다. (1593 Cg⁻¹ ) NiCo-LDH-1의 경우. 이는 요소 함량의 변화가 물질의 산화환원 반응에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 그 이유는 요소 함량이 높을수록 NiCo-LDHs는 주로 NF 표면과 평행한 방향으로 횡방향으로 성장하고 층이 함께 적층되어 층의 전체적인 두께가 증가하여 전해질이 잘 침투하여 산화 환원되지 않기 때문입니다. 유사 정전용량을 초래하는 반응은 표면 위 또는 표면 근처에서만 수행할 수 있습니다. 요소 함량의 감소는 재료의 분산성을 더 좋게 만듭니다. NiCo-LDH는 점차적으로 레이어 사이의 스택 상태를 제거합니다. 3차원 성장 구조는 재료의 층 구조를 더 얇게 만들고 기공을 명확하게 만듭니다. 이것은 반응에 더 많은 활성 부위를 제공하고 이온의 전달 및 확산에 도움이 되는 전해질 이온의 확산 저항 및 이동 거리를 감소시켜 물질의 유사 정전 용량 성능을 크게 향상시킵니다[36, 44]. NiCo-LDH-0의 GCD 곡선에 따르면 샘플의 비정전용량은 1232.5F g⁻¹ 입니다. (493Cg⁻¹ ) 1A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 이는 요소로 얻은 샘플보다 낮습니다. 또한 요소의 도입으로 인한 형태 및 두께를 포함한 변화된 구조가 NiCo-LDH의 전기화학적 특성에 긍정적인 촉진 효과가 있음을 확인했습니다.

그림 5e는 NiCo-LDH의 주기 안정성을 보여줍니다. 10A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 , NiCo-LDH-1의 정전 용량 유지율은 1000 사이클 후 93.6% 이상이며, NiCo-LDH-2 및 NiCo-LDH-3의 경우 각각 88.9% 및 83%보다 높습니다. 그러나 NiCo-LDH-0의 정전 용량 유지율은 54.9%에 불과합니다. 적절한 요소 함량이 전극 재료의 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 나타냅니다. 또한, 100~500 사이클 동안 NiCo-LDH-1의 정전용량 유지율은 100% 이상이며, 이는 이 사이클 과정에서 더 얇은 수직 층 구조가 전해질을 활성 물질의 가까운 표면으로 충분히 확산시킬 수 있음을 시사합니다. 산화 환원 반응 과정을 지원합니다. 그림 5f는 NiCo-LDH에 대한 EIS 테스트 결과입니다. Nyquist 플롯은 고주파수 영역과 저주파 영역의 두 부분으로 구성되며 각각 반원과 선 단면에 해당합니다. 고주파 영역에서 반원의 직경은 전자 전달 저항을 반영합니다. 반원 지름이 작을수록 전자 전달 저항이 작아집니다. 선의 기울기는 물질 표면에서 전해질 이온의 확산 능력을 나타냅니다. 기울기가 높을수록 확산 능력이 강해집니다[45]. NiCo-LDH-1, NiCo-LDH-2 및 NiCo-LDH-3의 샘플의 경우 요소 함량이 점차 감소하면 해당 전극에 대한 전달 저항 및 전자의 이동 거리가 감소하여 이온의 전달 속도 전극 표면이 증가하고 재료의 전도성이 점차 향상됩니다. 그러나 NiCo-LDH-0 샘플의 경우 전자 전달 저항이 비교적 작음에도 불구하고 이온의 전달 속도가 너무 느려 전자 전달 능력에 맞지 않아 전기 화학적 성능이 좋지 않습니다.

양극으로서 NiCo-LDH-1의 우수한 전기화학적 성능은 탄소 구체를 음극으로 하는 2전극 비대칭 슈퍼커패시터를 제작함으로써 더욱 확인되었다. 그림 6a는 10mV s⁻¹ 에서 탄소 구와 NiCo-LDH-1 전극의 CV 곡선입니다. . -1 ~ 0 및 0 ~ 0.5 V의 전위창을 가진 탄소 구 및 NiCo-LDH-1 전극은 10mV s에서 CV 곡선으로 표시된 것처럼 1.5 V의 확장된 전압으로 안정화 장치로 효과적으로 조립될 수 있습니다. ⁻¹ 그림 6b의 기기

<그림>

NiCo-LDH-1/탄소 구 비대칭 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능:a 10mV s⁻¹ 스캔 속도의 CV 곡선; ㄴ 다른 스캔 속도에서 CV 곡선; ㄷ 다른 전류 밀도에서의 GCD 곡선; 그리고 d 10A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 주기적 안정성

그림 6a, b를 비교하면 잠재적 창과 CV 곡선 모양에서 두 가지 주요 차이점이 크게 관찰됩니다. 이러한 차이의 원인은 다음과 같은 측면에 있습니다. 1) 포화 칼로멜 기준 전극과 관련하여 단일 NiCo-LDH-1 및 탄소 구체 전극의 전압 창은 3-에서 0 ~ 0.4 및 -1 ~ 0 V입니다. 각각 전극 시스템. 그러나 NiCo-LDH-1을 양극으로 사용하여 탄소 구체를 음극으로 하는 2전극 비대칭 슈퍼커패시터를 제작한 후 장치의 전압 창은 음극에 상대적입니다(즉, 전위 범위가 있는 탄소 구체 -1 ~ 0 V). 따라서 전하의 균형을 맞춘 후 반대 프로세스로 두 개의 전극으로 조립된 장치는 0 ~ 1.4V의 전위 창에서 작동할 수 있습니다[46]. 2) 그림 6b에서 볼 수 있듯이 비대칭 슈퍼커패시터의 CV 곡선은 서로 다른 스캔 속도에서 한 쌍의 뚜렷한 피크를 보여 NiCo-LDH-1이 기여하는 전형적인 패러데이 의사커패시턴스 특성을 확인합니다[47]. 또한 NiCo-LDH-1에 비해 비대칭 슈퍼커패시터의 경우 그림 6b, c에서 보다 명확한 준직사각형 CV 곡선과 충전 및 방전의 대략적인 선형 프로세스로 인해 개선된 커패시턴스 응답성을 확인합니다. 탄소 구체에 의해 생성된 이중층 커패시턴스 효과. 따라서 제작된 비대칭 슈퍼커패시터는 단일 NiCo-LDH-1 및 탄소 구체 전극에 비해 CV 곡선 모양의 변화를 나타냅니다. 이것은 전하 저장의 다양한 메커니즘을 가진 두 전극 재료의 우수성을 통합한 결과입니다. 이러한 장점으로 기기의 전압을 향상시킬 수 있어 전력 및 에너지 밀도 향상에 기여합니다[48].

다른 전류 밀도에서의 GCD 곡선은 전압 범위가 0 ~ 1.4V인 그림 6c에 표시됩니다. 계산에 따르면 비대칭 슈퍼커패시터의 비정전용량은 95(132.9) 및 57F g^{-1 (79.75Cg⁻¹
) 1 및 5A g⁻¹
의 전류 밀도에서 , 각각. 최대 에너지 밀도는 25.9W h kg⁻¹
입니다. 701.6Wkg⁻¹
의 전력 밀도에서 . 한편, 그림 6d의 삽입된 EIS의 저주파 곡선은 거의 수직이며, 이는 전해질 이온이 양극과 음극 사이의 우수한 셔틀링 능력을 가지고 있음을 나타냅니다[49]. 장치의 사이클링 안정성은 10A g⁻¹
에서 반복적인 충전 및 방전 테스트로 평가됩니다. . 그림 6d와 같이 정전용량 유지율은 1000회 주기 후 78% 이상입니다.}

결론

간단하고 효과적인 1단계 열수 방법은 다양한 NiCo-LDH를 합성하는 데 사용됩니다. NiCo-LDHs의 나노구조는 요소의 함량을 최적화함으로써 조정될 수 있으며, 따라서 전극 재료로서의 전기화학적 성능을 향상시킨다. 구조적 특성의 결과는 요소 함량이 감소함에 따라 NiCo-LDH-1 나노시트가 잘 개선된 분산성을 나타내고 두께가 1.62nm에 불과한 얇은 다공성 구조를 형성하여 산화환원 반응을 위한 더 많은 활성 부위를 생성하고, 전해질과 전극 물질 사이의 친화력이 향상되어 이온 확산 경로가 단축되고 전자 전달 능력이 향상됩니다. NiCo-LDH-1은 3982.5F g⁻¹ 의 우수한 비정전용량을 나타냅니다. 1A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 10A g⁻¹ 의 높은 전류 밀도에서 1000회 이상 정전 용량 유지율 93.6% 이상 . NiCo-LDH-1의 우수한 전기화학적 성능은 탄소 구체가 있는 2전극 비대칭 슈퍼커패시터를 제작함으로써 더욱 입증되었습니다. 특정 커패시턴스는 95F g⁻¹ 입니다. 1A에서 g⁻¹ , 정전용량 유지율은 1000회 동안 78% 이상입니다. 이러한 결과는 NiCo-LDH가 응용 가능성이 높은 차세대 에너지 저장 물질이며 고에너지 슈퍼 커패시터의 개발 가능성이 높다는 것을 나타냅니다.

데이터 및 자료의 가용성

현재 연구 중에 사용 및/또는 분석된 데이터 세트는 합당한 요청이 있는 경우 교신 저자에게 제공됩니다.

약어

NiCo-LDH:: 니켈-코발트 층상 이중 수산화물
TMHs:: Transition metal hydroxides
Ni:: 니켈
Co:: Cobalt
NF:: Nickel foam
XRD:: X-ray automatic diffractometer
XPS:: X-ray photoelectron spectrometer
SEM:: 주사 전자 현미경
TEM:: 투과 전자 현미경
AFM:: 원자력 현미경
EDS mapping:: Energy-dispersive X-ray spectroscopy element mapping
이력서:: 순환 전압전류도
GCD:: Galvanostatic charge–discharge curves;
EIS:: Electrochemical impedance
ASC:: Asymmetric supercapacitor

항암제 전달 시스템으로 5-플루오로우라실을 사용한 타우린 기능화 그래핀 산화물의 제조 및 특성화 이론적 계산 및 실험을 사용하여 전자 및 광학 특성에 대한 질화붕소 나노시트에 이중 도핑이 미치는 영향

나노물질