高性能スーパーキャパシタ用のNiフォーム上のNiOフレーク@ CoMoO4ナノシートコアシェルアーキテクチャの設計

はじめに

現在、技術の急速な発展と社会の進歩に伴い、再生可能エネルギー資源とエネルギー貯蔵装置の要件は急速に高まっています[1、2]。高速充放電速度、より優れた安全機能、高電力密度、および長寿命の特性により、スーパーキャパシタは従来のエネルギー貯蔵デバイスの最も有望な候補の1つになります。記憶機構によると、スーパーキャパシターは一般に電気二重層キャパシター（EDLC）と疑似キャパシターの2つのタイプに分類されます[3]。 EDLCは、電極/電解質の界面への静電吸着によって電荷を蓄積します。疑似コンデンサーは、電極材料の表面上または表面近くで発生するレドックス反応（または低電位の堆積とインターカレーション）によってエネルギーを蓄積します[4、5]。その中で、EDLCと比較してエネルギー密度が高いため、疑似キャパシタが研究の焦点となっています。

遷移金属酸化物（TMO）は、理論上の比容量が高く、自然が豊富で、低コストで、環境に優しいため、疑似コンデンサの電極材料として考慮されています[6、7]。得られた比容量の実験値は、電極材料の利用が不完全なため、理論比容量の値よりもはるかに小さくなっています[8]。さらに、TMO電極は、体積が連続的に変化するため、充放電プロセス中は常に不十分な安定性を示します[9]。通常、上記の問題を解決するには2つの効果的な方法があります。一方では、電極材料をコレクター上に直接成長させることは、「デッドサーフェス」の形成を回避するために有益であり、利用率の向上につながります[10]。さらに、コレクターは明らかに電極の導電率を高めることができます。一方、動力学に触発されて、電極材料の微細構造の設計と調整は、容量性能を改善するための意味のある理想と見なされます。研究者たちは、さまざまな微細構造を持つ多くの電極材料を構築してきました[11]。その中で、コアシェルアーキテクチャの設計を通じて優れた容量性能を実現できます。これは、バンド構造とコアおよびシェル材料の電子状態密度との間の相乗効果に起因する可能性があります[12、13、14]。さらに、コア材料は電子移動速度を加速し、シェル材料は適切な電気化学的レドックス活性部位を提供します。しかし、「卵」モデルを使用した従来のコアシェル構造には、シェル材料のシールドのために、ラップされたコア材料を効果的に利用できないという重大な欠陥があります。したがって、コア材料の利用率の向上は、コアシェルTMO電極の容量性能の鍵となります。

この作品では、NiOフレーク@ CoMoO ₄ の新しい2次元（2D）分岐コアシェル構造 ナノシート（NS）は、前述の欠点を解決するために2段階の水熱合成法によって構築されました。この新しい構造に関して、均一なCoMoO ₄ NSはNiOフレーク上に垂直に堆積し、フレーク-ナノシートのコア-シェル構造を形成します。この2D分岐コアシェル構造には、次の利点があります。まず、2D分岐コアシェル構造は、電解質と電極材料の間に十分な接触領域を提供し、十分な電気活性サイトを提供します。次に、NiOフレークとCoMoO ₄ の2D機能 NSは、電子収集効率を改善し、電子移動速度を速め、電子移動速度の利点を保証します。第三に、CoMoO ₄ の相互作用によって形成された拡散チャネル NSは電解質の拡散を促進します。電解質はコア材料の利用に役立ちます。さらに、非常に多孔性のアーキテクチャは、充放電プロセス中に形成された応力を解放するための隙間を提供し、サイクリングの安定性をさらに保証します。上記の利点を考慮して、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF電極は、1097 F / gの高い比静電容量と長いサイクル安定性（2000サイクル後に元の比静電容量の97.5％を保持）という点で優れた電気化学的性能を示します。 NiOフレーク@CoMoO ₄ の組み立てられた非対称スーパーキャパシタ（ASC） NSs / NF // AC / NFは、894.7 W / kgの電力密度で25.8Wh / kgの高いエネルギー密度を持っています。結果は、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSはエネルギー貯蔵装置に応用できる可能性があり、2D分岐構造の構築は、高性能TMO電極材料を実現するための理想的な方法を提供します。

メソッドセクション

NiOフレーク/ NFの合成

この作業で使用されたすべての化学物質は、アラジン試薬から購入され、直接使用されました。電極材料の準備フロー図を図1に示しました。NFの一部（1.5×3.5 cm ² ）を3 M HClに2時間浸して酸化物層を除去し、60°Cで12時間乾燥させました。次に、前処理したNFを32 mLの蒸留水に浸し、40mLのステンレス鋼オートクレーブに移しました。その後、オートクレーブを密閉し、140°Cで24時間維持し、自然に室温まで冷却しました（ステップ1）。生成物を脱イオン水で数回洗浄し、60°Cの真空チャンバー内で24時間乾燥させました。さらに、準備された製品は、石英管炉内で400°Cで2時間、0.5°C /分の加熱速度でアニールされました（ステップ2）。

NiO flakes @ CoMoO ₄ の合成図 NS電極

NiO Flakes @ CoMoO ₄ の合成 NSs / NF

塩化コバルト六水和物（65.1 mg）（CoCl ₂ ・6H ₂ O）およびモリブデン酸ナトリウム二水和物（50.8 mg）（Na ₂ MoO ₄ ・2H ₂ O）攪拌しながら23mLの脱イオン水に分散させました。次に、準備したNiOフレーク/ NFを上記の溶液に30分間浸し、40mLのステンレス製オートクレーブに移しました。その後、オートクレーブを160°Cで6時間維持し、室温まで冷却しました（ステップ3）。生成物を脱イオン水中で2分間超音波処理して、緩く吸着した化学物質を除去し、60°Cで12時間真空乾燥しました。最後に、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NFは、石英管炉で0.5°C /分の加熱速度で400°Cで2時間煆焼することによって得られました（ステップ4）。 CoMoO ₄ フレーク/ NFは、NiOフレーク/ NFの代わりにNFを使用して同じプロセスで調製されました。

材料の特性評価

製品の結晶構造は、CuK _αを使用したX線回折計（XRD、Rigaku D / Max-02400）によって特徴付けられました。 作業電位が20kV、管電流が30 mAの放射線（1.54056Å）。電界放出型走査電子顕微鏡（FESEM）画像は、ZiessGeminiとHitachiSU8100を使用して、それぞれ5kVと3kVの動作電圧で取得されました。高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）観察は、JEM-2100F装置で実施されました。 X線光電子分光法（XPS）データは、Thermo ESCALAB250Xiデバイスで200kVで記録されました。製品の比表面積と細孔分布は、高純度のN ₂ を使用してBELSORP-maxによって収集されました。 77Kの温度での吸収ガスとして。

電気化学的測定

すべての電気化学的試験は、参照電極として飽和Ag / AgCl、対極として白金箔（1cm×1cm）、NiOフレーク@ CoMoO _{4を含む6MKOHの3電極システムを備えたμIIIAutolabワークステーションを介して実行されました。} NSs / NF（CoMoO ₄ 作用電極としてのフレーク/ NFまたはNiOフレーク/ NF）（1cm×1cm）。容量性性能は、定電流充放電（GCD）およびサイクリックボルタンメトリー（CV）法によって評価されました。電気化学インピーダンス分光法（EIS）データは、周囲条件下で100 kHz〜0.01Hzの周波数範囲で収集されました。 NFへのNiOフレークの大量負荷は、失われたH ₂ を評価することによって推論されました。 Ni（OH） ₂ の分解過程におけるO 、式（1）。

ここで m および M それぞれ、各単一材料の質量と相対分子量を表します。 CoMoO ₄ の質量負荷 NiOフレーク/ NF上のNSは、2番目のステップの熱水処理の前と2番目のポスト焼成後の質量差を計算することによって得られました。 CoMoO ₄ の質量負荷 フレーク/ NFは、調製前後の質量差を評価することによって計算されました。 NiOフレークとCoMoO ₄ の質量負荷 NFに直接接続するNSは0.79mg / cm ² および1.14mg / cm ² 、 それぞれ。 NiOフレークの質量負荷@CoMoO ₄ NSs / NFは1.93mg / cm ² 。

ASCの電気化学的性能は、6 MKOHの2電極システムを使用して測定されました。その中に、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF、NiOフレーク/ NF、およびCoMoO ₄ フレーク/ NFは正極として適用されました。負極は、市販の活性炭、アセチレンブラック、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）（質量比8：1：1）を含む混合物をNFの表面にキャストすることによって合成されました。活性炭の質量（AC）は、式（1）に従って計算されます。 （2）[15]。

C （F / g）は比容量、 ∆V （V）は電圧ウィンドウであり、 m （g）は電極材料の質量です。

結果と考察

特性

調製したサンプルの相構造をXRDで確認しました。図2aに示すように、44.3°と51.7°にある2つの強い回折ピークは、Niの特性に割り当てることができます（JCPDS No.65-0380）。最初のステップの水熱処理の後、一連の新しい回折ピークが曲線aで調査されました。重要なピークは、JCPDS No. 01-1047の標準カードにインデックスを付けることができ、六角形のβの形成を示しています。 -Ni（OH） ₂ NFで。 400°Cでの熱処理後、新しい回折ピークが曲線bに観察されます。形成された新しいピークはNiO（JCPDS No. 65-2901）に起因し、βの分解を示しています。 -Ni（OH） ₂ 。曲線cは、最終製品のXRDパターンを示しています。 NiOの回折ピークは別として、26.5°、29.1°、32.1°、33.7°のピークは（002）、（310）、（\（\ overline {1} 31 \））、および（\（ \ overline {2} 22 \））CoMoO ₄ の結晶面 、それぞれ[16、17、18]、CoMoO ₄ の準備が成功したことを示します NiOフレーク/ NF上のNS。さらに、不純物の回折ピークはすべてのサンプルで調査されておらず、生成物の純度が実証されています。

a Ni（OH） ₂ のXRDパターン フレーク/ NF（曲線a）、NiOフレーク/ NF（曲線b）、およびNiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF（曲線c）。 NiOフレーク@CoMoO ₄ のXPSスペクトル NSs / NF。 b 調査。 c Co2p。 d Mo3d。 e Ni2p。 f O 1 s

XPS測定は、生成物の元素成分と化学原子価をさらに決定するために実行されました。図2bに表示されている調査スペクトルは、NiO @ CoMoO ₄ の最終製品にCo、Mo、Ni、およびOが存在することを確認しています。 / NF。図2cに示すように、Co 2pの高分解能スペクトルは、781.3eVと797.4eVの2つの主要なピークに分割され、Co 2p _3/2 に適合させることができます。 およびCo2p _1/2 、それぞれ[19]。さらに、主要なピークの高結合エネルギー側にある2つのピークは、対応する衛星ピークです。図2dのMo3dスペクトルは、Mo 3d _5/2 の2つのピークに分離されています。 （232.2 eV）およびMo 3d _3/2 （235.4 eV）、Mo元素がMo ⁶⁺ の形で存在することを示します 酸化状態[20]。 Ni 2pの高分解能スペクトル（図2e）は、Ni 2p _3/2 の2つのピークによって明確に特徴付けられます。 およびNi2p _1/2 それぞれ856.1eVと873.7eVの結合エネルギーで[21]。同様に、高エネルギー側にある他の2つのピークは、一般に衛星ピークと見なされます。図2fに示すように、O 1の高分解能スペクトルは、O1、O2、およびO3の3つの酸化状態に分割されます。 530.7 eVに位置するO1ピークは、CoMoO ₄ の格子酸素に起因する可能性があります。 。 531.5 eVにあるO2ピークは、NiOの金属-酸素結合に起因します。 532.8 eVの結合エネルギーにあるO3ピークは、製品に吸着された多重度の分子水に関連しています[19]。 XRD分析と組み合わせると、XPSの結果により、NiO / CoMoO ₄ の合成が成功したことが確認されます。 NFのフェーズ。

図3aに示すように、多くのNi（OH） ₂ フレークは、蒸留水中のNFの水熱処理後に形成されました。フレークは互いに相互作用し、3D多孔質アーキテクチャを構築します。フレーク間で数百ナノメートルが明確に調査され、CoMoO ₄ のさらなる成長に十分なスペースが提供されます。 NS（図3b）。図3cでは、フレークの形態は、エッジの長さが約1〜2 µm、厚さが30nmの六角形の特徴をほぼ示しています。熱処理後、フレークの全体的な形態に大きな変化はありません（図3d–f）。ただし、NiOフレークは表面に豊富な細孔を持っており（図3f）、メソポーラス特性を示しています。形成された細孔は、熱処理プロセスでの水の損失に起因する可能性があります。多孔質構造は大きな比表面積を持ち、電解質の拡散を促進し、電気化学速度論に利益をもたらします[22]。 2回目の熱熱処理後、フレークの厚さは明らかに厚くなります（図3g）。広大なCoMoO ₄ NSはフレークの両側と上部に堆積され（図3h）、分岐した多孔質コアシェルアーキテクチャを構築します。 2D分岐コアシェルフレークの幅は200〜400 nmで、NiOフレークよりもはるかに大きくなっています。 CoMoO ₄ NSの幅は約100nm、厚さは約20〜35nmです。寄託されたCoMoO ₄ NSは、ファラデー反応のためのよりアクティブなサイトを提供し、電子収集と転送速度を促進します。これにより、優れた容量性能が得られる可能性があります。一方、CoMoO ₄ のサイズ NFで成長したもの（追加ファイル1：図S1）は、CoMoO ₄ のサイズよりも大幅に大きい NiOフレーク上のNSは、NiOフレークがCoMoO ₄ のサイズを調整できることを証明します 水熱プロセス中のフレーク。

a のSEM画像 – c Ni（OH） ₂ フレーク/ NF、 d – f NiOフレーク/ NF、および g – i NiO flakes @ CoMoO ₄ 倍率の異なるNSs / NF

製品の形態と構造をさらに研究するために、さまざまなサンプルを超音波で剥ぎ取り、HRTEMで調査しました。図4aに示すように、Ni（OH） ₂ サンプルは重要な2D機能を表示します。図4bで観察された格子間隔（0.27 nm）は、Ni（OH） ₂ の（100）面に対応します。 （JCPDS No.01-1047）。煆焼後も、NiOサンプルはシート状の形態を保持しています（図4c）。さらに、フレーク上に細孔の量がはっきりと観察されます。毛穴の形成は水分の喪失が原因であると推測されます。図4dは、0.242nmと0.148nmの格子間隔を示しています。これは、それぞれNiO（JCPDS No. 65-2901）の（111）と（220）の結晶面に起因する可能性があります。選択領域電子回折（SAED）パターンは、NiOフレークの単結晶性を示しています（追加ファイル1：図S2a）。図4eから、CoMoO ₄ NSはNiOフレークの表面に垂直に成長し、ナノシートは25〜35nmの厚さを示します。追加ファイル1のSAEDパターン：図S2bは、CoMoO ₄ の多結晶機能を示しています。 フレーク。図4fで測定された結晶格子間隔（0.199nmおよび0.196nm）は、CoMoO 4 、それぞれ（JCPDS No. 21-0868）。

a のHRTEM画像 、 b Ni（OH） ₂ フレーク、 c 、 d NiOフレーク、 e 、 f NiO flakes @ CoMoO ₄ NS; g – i Ni（OH） ₂ の窒素吸脱着等温線です フレーク/ NF、NiOフレーク/ NF、およびNiOフレーク@ CoMoO ₄ それぞれNSs / NF。 （ g の挿入図 – i ）は対応する細孔径分布です

N ₂ 製品の比表面積と気孔率を判断するために、吸着/脱着等温曲線が一般的に測定されます。図4gに示すように、Ni（OH） ₂ の比表面積 フレーク/ NFは28.2m ² として計算されます / g、および焼成後に得られたNiOフレーク/ NFは45.3m ² / g（図4h）。表面積の増加は、NiOフレーク上の細孔の形成と相関しています（図4c）。さらに、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NFの値は53.5m ² とはるかに大きくなります。 / gNiOフレーク/ NFより。表面積のさらなる増加は、CoMoO ₄ によって構築された拡散チャネルの形成に起因する可能性があります。 NS。さらに、すべてのN ₂ 吸着/脱着等温曲線はIVヒステリシスのタイプに属し、製品のメソポーラス特性を示しています[23、24、25]。 Ni（OH） ₂ の平均細孔径 フレーク/ NF、NiOフレーク/ NF、およびNiOフレーク@ CoMoO ₄ NS / NFは、それぞれ6.13 nm、6.57 nm、4.16nmです。より大きな比表面積とより小さな細孔分布は、活性部位の増加と電解質拡散の促進に有益であり、電気化学的性能の向上につながります[22]。

NiO @ CoMoO ₄ の電気化学的性能 / NF

NiOフレーク@CoMoO ₄ の電気化学的性能 NSs / NFは、スーパーキャパシターの正極として評価されています。比静電容量の計算式（C _s ）は式に表示されます。 （3）[26]：

ここで m は活物質の質量、 V 電位窓、 i は電流であり、 ∆t は放電時間です。

より優れた容量性能を実現するために、NiO flakes @ CoMoO ₄ さまざまな反応時間（2時間、4時間、6時間、8時間）で得られたNS / NFは、1 A / gのGCDによって測定されました。図5aからわかるように、比容量は6時間までの反応時間の増加とともに増加します。ただし、反応時間が8時間に達すると、比容量は急激に減少します。さらに、さまざまなサンプル（2時間、4時間、および8時間）のGCD曲線は、追加ファイル1：図S3に示されています。追加ファイル1：図S4に示されている形態観察と組み合わせると、比静電容量の最初の増加は、CoMoO ₄ の質量増加に起因する可能性があります。 NSとNiOフレークの表面での2D分岐コアシェルアーキテクチャの構築。反応時間が8時間に達すると、分岐したコアシェルアーキテクチャは小さなCoMoO ₄ でほぼ覆われます。 NS、電気化学速度論の難しさにつながる。したがって、6時間で得られた製品は、最高の容量性能を示します。さらに、160°Cの選択性については、追加ファイル1：図S5でも説明されています。NiOフレーク@ CoMoO ₄ の電気化学的性能 NSs / NF（6時間）は、NiOフレーク/ NFおよびCoMoO ₄ と比較してさらに調査されました。 フレーク/ NF。 NiOフレーク@CoMoO ₄ のCV曲線 NSs / NF（6時間）、NiOフレーク/ NF、およびCoMoO ₄ フレーク/ NFは図5bに表示されています。 CV曲線のカプセル化された面積は、電極材料の比静電容量に比例することはよく知られています。図5bに示すように、NFのCVカプセル化領域は、他の3つの電極と比較して無視でき、NFの寄与がほとんどないことを示しています。 NiOフレーク@CoMoO ₄ のCV曲線 NSs / NF（6時間）は、NiOフレーク/ NFおよびCoMoO ₄ と比較して最大のカプセル化領域を示しています フレーク/ NF、最高の比容量を示します。同様に、CoMoO ₄ フレーク/ NF電極は、NiOフレーク/ NFよりも高い比静電容量を示します。図5cに示すように、NiO flakes @ CoMoO ₄ の対称GCD曲線と長い放電時間 NSs / NF電極は、1 A / g未満の他の2つの電極と比較して、卓越したクーロン効率と高い比静電容量を証明しています。さらに、CoMoO ₄ フレーク/ NF電極はNiOフレーク/ NF電極よりも放電時間が長く、比容量が大きいことを示しています。図5cの結果は、CV曲線の分析と一致しています。図5dは、NiO flakes @ CoMoO ₄ のCV曲線を示しています。 さまざまなスキャンレートでのNS / NF（6時間）。明らかに、一連のCVでレドックスピークが観察され、NiOフレーク@ CoMoO ₄ の疑似容量特性が明らかになっています。 NSs / NF（6時間）。 CV曲線は、高いスキャンレートでも明確な輪郭を保持しており、高効率のイオンおよび電子移動レートを示しています。したがって、NiOフレーク/ NFおよびCoMoO ₄ のCV曲線 フレーク/ NFは、典型的な疑似容量機能も表示します（追加ファイル1：図S6a、b）。電荷蓄積メカニズムは、アルカリ性溶液中の金属組成の酸化還元と関連付けることができます[27、28]：

a NiOフレーク@CoMoO ₄ のGCD曲線 異なる反応時間（2時間、4時間、6時間、および8時間）で1 A / gの電流密度で得られたNSs / NF電極。 b NiOフレーク/ NF、CoMoO ₄ のCV曲線 フレーク/ NF、およびNiO flakes @ CoMoO ₄ 100 mV / sのスキャンレートでのNSs / NF電極。 c NiOフレーク/ NF、CoMoO ₄ のGCD曲線 フレーク/ NF、およびNiO flakes @ CoMoO ₄ 1 A / gの電流密度でのNSs / NF電極。 d NiOフレーク@CoMoO ₄ のCV曲線 異なるスキャンレートでのNSs / NF電極。 e NiOフレーク@CoMoO ₄ のGCD曲線 異なる電流密度でのNSs / NF電極。 f NiO flakes @ CoMoO ₄ の構造上の利点の概略図 NSs / NF。 g 2000サイクルまでのさまざまな電極のサイクル安定性。 h NiOフレーク/ NF、CoMoO ₄ のEISスペクトル フレーク/ NF、およびNiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF電極

NiOフレーク@CoMoO ₄ の比静電容量 NSs / NFは、主にCo ²⁺ の準可逆レドックスに由来します。 / Co ³⁺ およびNi ²⁺ / Ni ³⁺ 、およびMoはレドックス反応に関与していません。さらに、CVのピーク電流は掃引速度とともに直線的に増加し、電極の典型的な分極が電気化学的速度論的プロセスを制御することを示しています[29]。 NiOフレーク@CoMoO ₄ のGCD曲線 さまざまな充放電電流でのNSs / NF電極を図5eに示します。 NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF電極は、1 A / g、2 A / g、5 A /の電流密度で、1097 F / g、981 F / g、734 F / g、504 F / g、および262 F / gの比静電容量を示します。 g、10 A / g、および20 A / g。したがって、CoMoO ₄ の対応する比静電容量 フレーク/ NF（追加ファイル1：図S6c）およびNiOフレーク/ NF（追加ファイル1：図S6d）は、349 F / g、316 F / g、248 F / g、182 F / g、116 F / g、それぞれ、173 F / g、160 F / g、139 F / g、116 F / g、80 F / gです。どうやら、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF電極は、個々のNiOフレーク/ NFおよびCoMoO ₄ よりも高い比静電容量を示します。 フレーク/ NF電極、NiOフレークとCoMoO ₄ 間の相乗効果を示します NS。図5fに示すように、合成されたNiOフレークの2D分岐@ CoMoO ₄ NSs / NFコンポジットは、効果的なイオン輸送チャネル、短いイオン拡散距離、速い電荷移動速度、および豊富なレドックス活性部位の点で有益な速度論的条件を提供し、優れた容量性能をもたらします[30]。

スーパーキャパシタの重要な要素の1つとしてのサイクル寿命は、2 A / gの電流密度で2000サイクルのGCDを実行することによって測定されました。図5gは、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF電極は、元の比容量の97.5％を保持します。ただし、NiOフレーク/ NFおよびCoMoO ₄ の比静電容量 フレーク/ NF電極は、元の静電容量のそれぞれ82.4％と70％に減少します。 2D分岐多孔質構造は、十分なスペースを提供します。これは、サイクルプロセス中の体積変化の効果的な応力緩和に役立ち、優れたサイクリング安定性をもたらします。

最後に、調査した電極のEISスペクトルを測定し、等価回路図を挿入図として示しました。図5hに示すように、すべてのスペクトルは、高周波では明らかな半円を示し、低周波範囲では線形領域を示します。 x との交差点 -軸と半円の半径は、等価直列抵抗（ R ）を表します _s ）および電荷移動抵抗（ R _ct ）それぞれ電極インターフェース上。線形領域の傾きは、質量拡散抵抗（ Z ）に対応します。 _w ）。追加ファイル1：表S1に示すように、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF電極の R は低くなります _s および R _ct （0.4Ω、0.21Ω）CoMoO ₄ よりも フレーク/NF（0.58Ω、0.93Ω）およびNiOフレーク/ NF（0.48Ω、0.72Ω）。明らかに、NiO @ CoMoO ₄ / NF電極は、電子移動速度論において大きな利点を示し、スーパーキャパシターの理想的な電極材料としての潜在的な用途を示しています。

NiO Flakes @ CoMoO ₄ のパフォーマンス NSs / NF // AC / NF

NiO flakes @ CoMoO ₄ の実用的なアプリケーションを示すため NSs / NF複合電極、ASCは、図6aの図に従って、6 MKOHで組み立てられました。 ASCでは、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NFを正極として使用し、市販のACを負極として使用しました。図6bのCV測定からわかるように、AC電極は長方形の特徴を示し、NiOフレーク@ CoMoO ₄ NSs / NF電極は、有意な酸化還元ピークを示し、EDLCと疑似キャパシタの典型的な電気化学的貯蔵メカニズムをそれぞれ明らかにします。さらに、正電極と負電極を組み合わせることで、最大1.8Vの電位窓を実現できます。 NiOフレーク@CoMoO ₄ のCV曲線 さまざまなスキャンレートでのNSs / NF // AC / NFASCを図6cにプロットしました。 ASCは、高いスキャン速度でも明確な形状で循環させることができ、電子移動とイオン輸送における有益な反応速度を示しています。図6dに、1〜5 A / gのさまざまな電流密度でのASCのGCD曲線を記録しました。 ASCのエネルギー密度と電力密度は、次の式で計算されました。それぞれ（4）と（5）[31]：

a ASCデバイスの構造図。 b NiOフレーク@CoMoO ₄ のCV曲線 3電極システムにおけるNSs / NFおよびAC。 c さまざまなスキャンレートでのASCデバイスのCV曲線。 d さまざまな電流密度でのASCデバイスのGCD曲線。 e ASCのRagoneプロットと、報告されている他のNiOまたはCoMoO ₄ との比較 電極。 f 5 A / gの電流密度での3000サイクルにわたるASCデバイスのサイクル安定性。挿入図はサイクリング前後のSEM画像です

E の場所 はエネルギー密度、 P は電力密度、 C _s は比容量、ΔV は電位窓であり、Δt は放電時間です。 Ragoneプロット（図6e）に示されているように、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF // AC / NF ASCは、894.7 W / kgの電力密度で25.8Wh / kgの最大エネルギー密度を示し、4500 W / kgの高電力密度でも16.8Wh / kgの高エネルギー密度が維持されます。 。図6eの挿入図に示されているように、単一の赤色LEDが点灯し、1.93 mg（1cm×1cm）の電極材料によって10分間持続しました。最大エネルギー密度は、個々のNiO / NF // AC / NF（12.9 Wh / kg、追加ファイル1：図S7a）およびCoMoO ₄ よりも高くなっています。 フレーク/ NF // AC / NF（22.8 Wh / kg、追加ファイル1：図S7b）、NiOフレークとCoMoO ₄ 間の相乗効果をさらに確認 NS。他のNiOまたはCoMoO ₄ との比較 ベースの電極、NiO @ CoMoO ₄ / NF // AC / NFASCはより高いエネルギー密度を示します[32,33,34,35,36,37,38,39]。 ASCのサイクル寿命は、5 A / gで3000サイクルのGCD測定を繰り返すことによって評価されました。図6fに示すように、静電容量は3000サイクル後の元の値と比較して100％を維持します。図6fの挿入図に示すように、形態構造はサイクリングの前後でほとんど違いがなく、電極材料の優れたサイクル安定性を示しています。

結論

要約すると、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSsコアシェルアーキテクチャは、2段階の水熱合成法によって正常に製造されました。スーパーキャパシターの正極として、NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF電極は、1097 F / gの高い比容量、0.21Ωの低い電荷移動抵抗、優れた長期サイクル安定性（2000サイクル後も元の値の97.5％を維持）など、優れた電気化学的特性を示します。高い比表面積、有効なイオン輸送チャネル、および加速された電子収集/移動速度が、卓越した電気化学的性能の原因です。組み立てられたASCデバイスは、894.7 W / kgの電力密度で25.8Wh / kgの優れたエネルギー密度を示します。同時に、ASCデバイスは3000サイクル後も元の比容量の100％を保持し、優れたサイクリング安定性を示します。 NiO flakes @ CoMoO ₄ NSs / NF電極は、スーパーキャパシターに有望であり、2D分岐コアシェルアーキテクチャの設計は、エネルギー貯蔵用の高性能電極材料を実現するための効果的な方法を提供します。

データと資料の可用性

すべてのデータは制限なしで完全に利用可能です。

略語

2D：

二次元

AC：

活性炭

ASC：

非対称スーパーキャパシタ

CV：

サイクリックボルタンメトリー

EDLC：

電気二重層コンデンサ

EIS：

電気化学インピーダンス分光法

EQ：

方程式

FESEM：

電界放出型走査電子顕微鏡

GCD：

定電流充放電

HRTEM：

高分解能透過型電子顕微鏡

NF：

Niフォーム

NSs：

ナノシート

PTFE：

ポリテトラフルオロエチレン

TMO：

遷移金属酸化物

XPS：

X線光電子分光法

XRD：

X線回折計