優れた性能を備えたスーパーキャパシタ用の優れた電極材料としてのCo3O4準立方体の卵白支援水熱合成

要約

新規Co ₃ O ₄ 層状構造の準立方体は、2段階の合成手順によって得られました。前駆体は、最初に卵白アルブミンの存在下で水熱反応によって調製され、次に前駆体は空気中で300°Cで直接アニーリングされ、純粋なCo ₃に変換されました。 O ₄ 粉末。最終的なCo ₃のサイズと形態が O ₄ 製品は、それぞれ卵白アルブミンの量と熱水持続時間の影響を大きく受けました。そのような層状のCo ₃ O ₄ 立方体は、平均細孔径が5.58 nm、総比表面積が80.3 m ² のメソポーラス特性を備えていました。 / g。これらのCo ₃の電気化学的特性を評価するために、3電極システムと2MのKOH水性電解質が採用されました。 O ₄ キューブ。結果は、754 F g ^-1 の比静電容量を示しました。 1 A g ^-1 が達成された。さらに、Co ₃ O ₄ 立方体で修飾された電極は、10 A g ^-1 で77％という優れたレート性能を示しました。 5 A g ^-1 で4000回の繰り返し充放電プロセス中に86.7％の静電容量保持を備えた優れたサイクリング耐久性。このような高い電気化学的性能は、これらのメソポーラスCo ₃ O ₄ 準立方体は、将来の次世代の高度なスーパーキャパシターの重要な電極材料として機能する可能性があります。

はじめに

現代社会における科学技術の急速な発展に伴い、限られた貯蔵量で化石燃料のみに依存することは、増え続けるエネルギーの要件を満たすにはほど遠いため、これを解決するために環境に優しいタイプの新しいエネルギー貯蔵装置が急速に開発されています。ジレンマ[1,2,3]。現在、バッテリーとスーパーキャパシターは、高性能と低コストのため、最も有望なエネルギー貯蔵システムの2つのタイプです。特に、電気化学キャパシタとしても知られるスーパーキャパシタは、電力密度、長期サイクル寿命、充放電率、およびその他の特性の点でより注目を集めています[4、5、6]。このような利点に起因して、スーパーキャパシタは、非常灯、ハイブリッド電気自動車、軍事機器、および短期電源に適用されてきました[7、8]。同時に、スーパーキャパシタのエネルギーと電力密度は、それらのアプリケーション分野の拡大に対応するために継続的に増加する必要があります。その結果、この問題の解決に多大な努力が注がれてきました。スーパーキャパシタの注目に値する改善を達成するには、電荷蓄積メカニズムの深い基本的な理解が必要です。電極材料の形状、多孔性、および機械的特性は、スーパーキャパシタの性能に決定的な影響を与えることがわかっています[9、10、11]。理想的な電極材料の場合、電荷移動のための電気化学的に活性な部位の数を増やし、イオン/電子輸送を小さな拡散長で制御する必要があります[12]。

スーパーキャパシタは、さまざまなエネルギー貯蔵メカニズムに基づいて、カテゴリごとに異なります。そのうちの1つは、電極と電解質の界面に蓄積された電荷によってエネルギーを蓄積します。これは、電気二重層コンデンサ（EDLC）として知られています。もう1つは疑似コンデンサ（PC）で、電極材料の表面の近く/表面で発生する高速ファラディック反応に依存してエネルギーを蓄積します[13、14、15、16]。比表面積が大きく、導電性に優れた活性炭、グラフェン、カーボンナノチューブ（CNT）などの炭素質材料は、EDLCの理想的な電極材料です。ただし、炭素ベースの材料の場合、本質的に低い比容量は無視できない重大な欠陥であり、PCよりもエネルギー密度が低くなります[17]。導電性ポリマーと金属酸化物は、高速で可逆的なレドックス反応という優れた疑似容量特性により、PCの電極材料として一般的に使用されています。 PCは、より高いエネルギーと電力密度、より大きな比容量を提供でき、世界中の研究の関心を集めています[18]。現在まで、金属酸化物、特にMnO ₂などの遷移金属酸化物（TMO） [19、20]、NiO [21、22]、およびFe ₂ O ₃ [23、24]は、電極材料の潜在的な候補として多くの注目を集めています。なぜなら、それらは、ファラデー反応に有益な、さまざまな酸化状態に由来する豊富なレドックス電荷移動を提供できるからです。低コストと高い比容量の長所にもかかわらず、PCの電極として使用されるこれらの材料の効果は、一般に劇的な体積変化、劣ったレート能力、および比較的高い抵抗を持っているという事実を考えると、まだ満足のいくものではありません。ハードルを回避するために多大な努力が払われてきた[25]。一連のTMOの中で、Co ₃ O ₄ 最も有望な電極材料の1つと見なされています。この種の材料は、3560 F g ^-1 という理論上の比容量を持っています。 [26]。その上、それは環境に優しく、安価で、レドックス活性も豊富です。残念ながら、理論値と比較すると、Co ₃の比静電容量は O ₄ 電極が実際のアプリケーションで達成することは非常に低いです。 Co ₃の高い内部抵抗によって引き起こされる電子の制限移動に起因します O ₄ 、活性部位の一部のみがレドックス反応に関与している可能性があり、活物質の利用率が低くなり、比静電容量が減少します。さらに、Co ₃ O ₄ 急速なレドックス反応の過程で劇的な体積変化傾向があり、電極材料の崩壊はサイクル寿命の短縮につながります[27]。

これらの問題に対処するには、Co ₃ O ₄ ナノロッド、ナノワイヤー、ナノフレーク、ナノフラワーなど、さまざまな形態のナノ構造は、表面積を増やしてレドックス反応を促進することを目的として、合成プロセスを制御することによって正常に調製されています[28、29、30、31]。調査結果は、さまざまな形態がCo ₃のパフォーマンスに大きな影響を与えることを示しています。 O ₄ 電極ですが、単に形態を変えるだけでは、その固有の不十分な導電率と深刻な体積膨張欠陥を改善することはできません。研究者はCo ₃を組み合わせることに専念しています O ₄ 他の高導電性材料を使用して、高い電荷移動能力を備えた電極材料を取得します。さらに、異なる材料間の相乗効果は、同時にレドックス反応に寄与し、比容量を増加させるという目的を達成することができます[32、33、34、35]。実用化と大量生産の観点から、単純な合成プロセスで粉末電極材料を調製することが非常に重要です。

水熱/ソルボサーマルルートを含む溶液法は、マイクロ/ナノ材料を大規模に調製するための重要な合成戦略の1つです。この方法では、通常、核形成と結晶成長の速度を制御するために界面活性剤が使用されます。したがって、ナノ構造の最終的な形状は、界面活性剤によって効果的に調整することができます[36、37、38]。カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤などを含むいくつかのタイプの界面活性剤を、ナノ材料の製造に使用することができる。その中でも、この種の界面活性剤は環境にやさしいため、官能基を持つ生体分子が注目されています。タンパク質は無機ナノ粒子と相互作用し、水溶液中の無機材料の核形成を支配することができます。重要なタンパク質としての卵白アルブミンは、卵から広く入手できます。ゲル化、発泡、乳化の特性から注目を集めています。さらに、卵白アルブミンは費用効果が高く、環境にやさしいものであり、そのような界面活性剤の使用は、環境と人間の健康の両方に危険をもたらすことはないかもしれません。したがって、卵白アルブミンは、形態が制御されたナノ材料の調製に使用できます。たとえば、Geng etal。調製した単結晶Fe ₃ O ₄ ナノリアクターとして卵白を使用した高収率のナノチューブ[39]。 ZnSナノシートは、卵白とマイクロ波を利用した方法で合成できます[40]。さらに、ダンベル型のBaCO ₃ 上部構造とSnO ₂ ビスケットは、さまざまな研究グループによる卵白アルブミンの助けを借りて入手することができます[41、42]。全体として、卵白を含むナノマテリアルの製造に関する報告はめったに報告されていません。この作業では、多孔質Co ₃ O ₄ キューブは、水熱法と前駆体のポスト煆焼を介して卵アルブミンの助けを借りて合成されました。これらのCo ₃ O ₄ 多孔質の立方体の平均孔径は5.58nmで、Brunauer-Emmett-Teller（BET）の比表面積は80.3 m ² と評価されました。 / g。そのようなCo ₃ O ₄ 立方体は、754 F g ^-1 の高静電容量の作用電極に加工されました。 1 A g ^-1 で取得されました。さらに、電流密度が10 A g ^-1 に改善された場合、電極は77％までの高いレート能力を示しました。 86.7％の静電容量保持率を備えた優れたサイクリングパフォーマンス（5 A g ^-1 ）は、4000サイクルの充放電プロセスでも達成されました。このような優れた電気化学的特性は、多孔質Co ₃ O ₄ キューブは、近い将来、スーパーキャパシターの有望な電極材料として機能する可能性があります。

メソッド

資料

この作業では、すべての試薬は分析用の純粋なグレードであり、追加の精製なしで使用されました。尿素と酢酸コバルト（II）四水和物は、Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd。から購入し、卵白アルブミンは新鮮な卵から入手しました。

多孔質Co ₃の準備 O ₄ キューブ

多孔質Co ₃を準備するには O ₄ キューブ、卵白3 mL、尿素2.4 g、酢酸コバルト（II）四水和物0.3 gを、激しく攪拌しながら脱イオン（DI）水37mLに溶解しました。次に、混合物を容量50 mLのオートクレーブに入れ、オートクレーブを140°Cのオーブンに入れました。 5時間後、沈殿物を回収し、すすぎ、60°Cで一晩乾燥させました。得られた前駆体を300℃で5時間アニーリングして黒色火薬を得た。対照実験は、他のパラメータと手順を同じに保ちながら、さまざまな熱水時間（1、2、15、および24時間）と異なる量の卵白アルブミンでそれぞれ実施されました。

作用電極の製造と電気化学的試験

CHI 660E電気化学ワークステーションでは、サイクリックボルタンメトリー（CV）、クロノポテンシオメトリー（CP）、および電気化学インピーダンス分光法（EIS）を含む3種類の電気化学試験が、白金線が対極として機能する典型的な3電極構成に基づいて実行されました。飽和カロメル電極（SCE）をそれぞれ参照電極として使用しました。作用電極の製造に関する詳細な説明は次のとおりです。活物質、アセチレンブラック、および重量比80：15：5のポリフッ化ビニリデン（PVDF）を含む混合粉末を最初に調製し、次に混合粉末を<に分散させました。 i> N -超音波支援下のメチル-2-ピロリドン（NMP）溶媒。得られた懸濁液を、事前に洗浄したニッケルフォーム（1×1cm ² ）にコーティングしました。）および85°Cで真空乾燥します。続いて、油圧プレスによって供給された10 MPaの圧力がニッケルフォームに加えられ、作用電極が最終的に得られました。すべてのテストは、2MのKOH水性電解質で実施されました。 CVテストの可能性は-0.1から0.65Vまで変化し、スキャンレートは2〜50 mV s ^-1 の範囲でした。。 CPテストの場合、電流密度は1〜10 A g ^-1 で異なります。電位は0〜0.45 Vで変化します。EIS測定には、開回路電位が採用されました。周波数領域は10 ^-2 でした –10 ⁵ HzおよびAC振幅は5mVでした。比容量は式（1）から求めることができます。（1）：

$$ {C} _s =\ frac {I \ cdot \ Delta t} {m \ cdot \ Delta V} $$（1）

ここで C _s （F g ^-1 ）は比容量、∆ t を表します（s）は放電時間を示し、 I （A）は放電電流、∆ V （V）は電位窓を意味し、 m （g）は活物質の重量です。

特性

サンプルのX線回折（XRD）パターンは、粉末X線回折計（Bruker D8 Advance）で収集されました。この場合、Cu-kαがX線源（λ=0.1548 nm）として使用され、範囲は2θでした。 25〜100°でした。フィールドエミッション電子顕微鏡（FESEM）画像はJEOL JSM7100F走査型電子顕微鏡から入手でき、透過型電子顕微鏡（TEM）画像はJEOLJEM2100F装置で動作電圧200kVで取得されました。 TEM測定の前に、粉末をエタノールに10分間超音波分散させてから、カーボンコーティングされた銅グリッドに滴下する必要があります。ラマン検査はRM1000-Invia（Renishaw）分光計で実行され、レーザーの波長は514nmに選択されました。 X線光電子分光法（XPS）測定はESCA 2000分光計で操作され、AlKαが励起源として使用されました。 77 Kで実施された窒素吸着/脱着実験によると、Brunauer-Emmet-Teller（BET）表面積が得られました。さらに、細孔径分布（Barrett-Joyner-Halenda、BJH法）は、関連する脱着等温線から取得できます。

結果

SEMにより、140°Cで5時間の3 mLの卵白と300°Cでのポストアニーリングプロセスを組み合わせて調製したサンプルの形状とサイズを調査しました（図1a）。これは、製品が約5〜6μmのサイズの大量の立方体のような粒子によって支配されていることを示しています。拡大されたSEM画像（図1b）は、各立方体の一部の角が完全ではなく、白い矢印が示すように、立方体が層状構造で組み立てられていることを示しています。このような新しい層状構造は、図1cのSEM画像からはっきりと観察できます。組成と結晶相をXRD技術で調べた。図1dは、典型的なXRDパターンを示しています。このパターンでは、観測されたすべての回折ピークを、立方晶Co 3 O ₄ （JCPDS No. 43-1003）。 Co（OH）₂の不純物から生成されたピークはありませんでしたおよびCoO、Co ₃の高純度を示唆 O ₄ ここで得られたサンプル。図1eのTEM画像は、代表的なCo ₃を示しています。 O ₄ サイズが5μmの立方体で、サイズはSEMデータとよく一致していました。図1fは、立方体のエッジに焦点を合わせた位置から撮影された拡大TEM画像を示しています。多孔質構造が見られたので、総Co ₃ O ₄ 立方体は実際には多くのナノ粒子（NP）ベースの層で構成されていました。選択された領域の電子回折（SAED）パターンは多結晶構造を示し、スポットベースの回折リングはさらに、多孔質Co ₃に大量の集合NPが存在することを示唆しました。 O ₄ キューブ。さらに、立方体は非常に厚いため、高分解能TEM（HRTEM）の特性評価を実行するのは困難でした。

Co ₃の詳細な構造情報 O ₄ ナノキューブは、図2aに示すラマンスペクトルによって評価されました。 468、509、611、および675 cm ^-1 にある4つの特徴的なバンド E _gに対応していたことが観察できます、\（{\ mathrm {F}} _ {2 \ mathrm {g}} ^ 1 \）、\（{\ mathrm {F}} _ {2 \ mathrm {g}} ^ 2 \）、およびA _1g それぞれラマン活性モード。このような結果は以前の文献とよく一致しており、Co ₃の形成をさらに示しています。 O ₄ [33、43]。図2bは、Co ₃の代表的な完全調査XPSスペクトルを示しています。 O ₄ ナノキューブであり、炭素、コバルト、および酸素元素の特徴的なピークを除いて、他の不純物のピークは観察できません。完全な調査XPSデータは、Co ₃の高純度を示唆しました O ₄ サンプル。図2cに示されているCo2pスペクトルの高分解能からわかるように、779.7eVと794.8eVを中心とする2つの明らかなピークがあり、これらはCo 2p _3/2に対応しています。およびCo2p _1/2 、それぞれ。さらに、Co ³⁺ の存在を反映して、2つのピークのエネルギー分離は15.1eVでした。 [14]。さらに、2つの主要なピークは、ガウスフィッティング後に2つのスピン軌道相互作用に分離できます。 779.6および794.6eVの結合エネルギーのピークは、Co ³⁺ に関連していました。、一方、780.9および796.2 eVにある他のものは、Co ²⁺ に対応していました。;そのような観察結果は以前の報告[44]とよく一致しました。 788.6および804.1eVの結合エネルギーの近くに2つの衛星ピーク（「sat」とマーク）が観察され、それらの存在によりスピネル構造の特性がさらに確認されました[45]。 O 1sスペクトルのフィッティング結果（図2d）は、3つの酸素寄与（O1、O2、O3）があることを示しました。 529.5 eVにあるO1成分は、典型的な金属-酸素結合にインデックスを付けることができ、531.1 eVにあるO2成分は、ヒドロキシル基に起因します[46]。結合エネルギーが532.4eVと高いO3成分は、電極表面に吸収された水分子に相当します[47]。

システム内の卵白アルブミンの量は、このようなCo ₃を形成するために重要な役割を果たしました。 O ₄ キューブ。卵白アルブミンを使用しなかった場合、製品は多くのCo ₃によって支配されていました。 O ₄ ナノシート（図3a）であり、多孔質構造は図3bのTEM画像ではっきりとわかります。そのようなCo ₃ O ₄ ナノシートはよく結晶化していた。さらに、0.287 nmのフリンジ間隔（図3c）は、Co ₃の（220）結晶面に対応していました。 O ₄ 。 0.5 mLの卵白を加えると、Co ₃ O ₄ サンプルは、いくつかの層状の立方体といくつかのシートで構成されていました（図3d）。 Co ₃ O ₄ 卵白の投与量を1mLに増やすと、ナノシートはほぼ完全に消失しました。この状態では、Co ₃ O ₄ エッジの長さが約3〜10μmのクシキューブが形成されました（図3e）。均一化されたCo ₃ O ₄ 卵白の量を継続的に3mLに増やすと、立方体が得られました。卵白アルブミンをさらに5mLに増やすと、Co ₃の形態 O ₄ 立方体は変更なしでよく保存されていましたが、サイズは3〜4μmに縮小されました（図3f）。上記のSEM観察から、Co ₃の形成プロセス O ₄ 卵白の助けを借りたキューブは、暫定的に提案することができます。反応中、Co ²⁺ イオンは卵白と反応して複合体を形成します。卵白アルブミン分子とCo ²⁺ の窒素原子の組み合わせイオンは凝集体の成長を促進することができます。スタッキング相互作用と結晶充填力により、骨材はフレーク構造に成長することを好みます。卵白の量が十分である場合、分子間に水素結合が存在するためにフレークが積み重なる傾向があり、最終的な層状の立方体構造が形成されます。

卵白の投与量を3mLに固定しながら、異なる熱水反応時間で制御された実験も実施しました。反応が1時間だけ進行した場合は、Co ₃ O ₄ 不規則な形状のNPが大量に生成されました（図4a）。少量のCo ₃ O ₄ 反応を2時間に延長すると、キューブとNPが共存しました（図4b）。パーフェクトCo ₃ O ₄ 熱水処理が5時間に延長されたため、キューブを大規模に取得できました。その後、形状とサイズに明らかな変化はほとんどなく、反応は15時間以上延長されました（図4c、d）。 Co ₃の成長メカニズム O ₄ キューブと最終的なCo ₃に対する卵白の影響 O ₄ 形態にはさらに詳細な調査が必要であり、関連する研究が現在進行中です。

これらのCo ₃の気孔率 O ₄ 立方体は窒素吸着-脱着等温線によって調査されました。 Co ₃のメソポーラス構造特性 O ₄ ナノキューブは、図5aに示す等温線によって明確に示されます。このような等温線は、典型的なIVタイプとして分類され、H3タイプのヒステリシスを伴うためです。 BJH法で得られた細孔径分布は、この点をさらに証明しました（図5b）。これらのCo ₃の平均細孔径 O ₄ ナノキューブは5.58nmであり、BET比表面積は80.3 m ² と評価されました。 g ^-1 。特に、図5bから、細孔径は主に4.03nmに分布していることがわかりました。 Co ₃の等温線 O ₄ ナノシートは図5cに示されています。これは、ナノキューブの等温線に似ています。ただし、Co ₃のBET固有の表面積 O ₄ ナノシートはCo ₃よりも低かった O ₄ ナノキューブ、わずか52.5 m ² g ^-1 。さらに、Co ₃の平均細孔径 O ₄ 図5dから得られたナノシートは4.44nmでした。大きな表面積と多孔性を備えた電極材料は、電気化学的活性部位の数が増加し、イオンだけでなく電子の輸送も加速するという点で、迅速な電気化学的反応に有利であることはよく知られている。十分に分散された細孔径と大きな表面積に起因するCo ₃ O ₄ ナノキューブで修飾された電極は、レドックス反応の急速な進行と電極内への電解質の容易な浸透を可能にし、好ましい比静電容量をもたらします。

調製されたままのCo ₃の電気化学的性能 O ₄ ナノキューブは、CV、CP、およびEIS測定によって評価されました。すべてのテストは、3電極構成を使用して2MのKOH水性電解質で実施されました。電位が-0.1〜0.65 Vで変化し、スキャンレートが2〜50 mV s ^-1 の間でシフトする場合、Co ₃のCV曲線 O ₄ ナノキューブとナノシートは、それぞれ図6a、bに示されています。両方のCV曲線には、明確に定義された還元および酸化ピークのペアが複数ありました。このような現象は、Co ₃の電荷蓄積を意味します。 O ₄ ナノキューブ電極は、長方形のCV曲線を示す電気二重層静電容量ではなく疑似静電容量によって制御されていました[48]。形態と多孔性の違いに基づいて、2つの電極材料のCV曲線は完全に類似していません。 CV曲線によって統合された面積に関して、Co ₃ O ₄ ナノキューブで修飾された電極は、ナノシートで修飾された電極よりも大幅に大きく、Co ₃ O ₄ ナノキューブで修飾された電極は、より高い比容量を提供できます。図6aが示すように、スキャンレートが加速すると、2つの酸化ピークが徐々に混ざり合い、1つの広い酸化ピークを形成します。さらに、陽極ピークはより正の位置にシフトしましたが、還元ピークはより負の位置に移動し、レドックス反応の可逆的特性を示唆しています[29]。両方のCV曲線のレドックスピークのペアは、さまざまなコバルト酸化状態間の変換に対応しており、方程式は主に次のように要約されました[49]：

$$ {\ mathrm {Co}} _ 3 {\ mathrm {O}} _ 4 + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} + {\ mathrm {O} \ mathrm {H}} ^ {-} \ leftrightarrow 3 \ mathrm {CoOOH} + {\ mathrm {e}} ^ {-} $$（2）$$ \ mathrm {CoOOH} + {\ mathrm {OH}} ^ {-} \ leftrightarrow {\ mathrm {CoO} } _2 + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} + {\ mathrm {e}} ^ {-} $$（3）

Co ₃の電気化学的容量性挙動 O ₄ ナノマテリアルもCP試験によって調査された。図6c、dは、Co ₃のCP曲線を示しています。 O ₄ 0〜0.45 Vの電位で取得された、さまざまな電流密度のナノキューブとナノシート。2つのサンプルのすべての曲線に明確な電位プラトーが現れることで、疑似容量特性が示されました。これは、CV曲線から得られた結論と一致していました[50 ]。式によると。（1）、Co ₃ O ₄ ナノキューブで修飾された電極は、754、712、683、641、614、および581 F g ^-1 の比静電容量を提供しました、それぞれ、電流密度1、2、3、5、7、10 A g ^-1 。 Co ₃について O ₄ ナノシートで修飾された電極で、559、530、512、487、470、および452 F g ^-1 の比静電容量を実現しました。同じテスト条件で。 1 A g ^-1 での2種類の電極のCP曲線によると（図6e）、Co ₃の放電時間がわかります。 O ₄ 立方体で修飾された電極は、Co ₃の電極よりも長いです O ₄ ナノシートで修飾された電極、さらにCo ₃ O ₄ 立方体で修飾された電極は、優れた電気化学的特性を示すことができます。図6fは、2種類の電極の異なる電流密度での比静電容量の変化を示しています。明らかに、電流密度が増加するにつれて、比容量は徐々に減少します。 Co ₃のレート機能 O ₄ ナノキューブおよびナノシート-1〜10 A g ^-1 の修飾電極それぞれ77％と81％でした。高電流密度では、イオンと電子の拡散が不十分であると、電解質が電極材料と完全に接触できなくなり、電極材料の外面の活性部位のみが関与できることを理解するのは難しいことではありません。レドックス反応。その結果、活物質の不完全な利用は、比容量の減少に直接つながります。他の以前の関連文献と比較して、Co ₃ O ₄ この作業で合成されたナノキューブ修飾電極は、優れた電気化学的性能を示します（表1）。 Co ₃の組み合わせによって形成された複合電極は言及する価値があります O ₄ および他の材料は、より優れた電気化学的性能を示す傾向があります。複合電極の導電率の向上と異なる物質間の相乗効果により、疑似容量に大きく貢献します。

<図>

サイクリングの安定性は、Co ₃の適用可能性を測定するためのもう1つの重要なパラメーターです。 O ₄ ナノキューブで修飾された電極。これは、5 A g ^-1 での4000回の連続CPテストによって評価されます。。図7は、比容量が最初の数百サイクルで徐々に減少する傾向があり、その後、サイクル数が増加する間、安定した状態を維持することを示しています。 4000サイクルの終わりでは、比容量は556 F g ^-1 です。初期値の約86.7％のままです。このような結果は、Co ₃ O ₄ ナノキューブで修飾された電極は、優れた長寿命のサイクル耐久性を備えています。これは、スーパーキャパシターアプリケーションで重要な保証です。クーロン効率は、レドックス反応の可逆性を反映できるパラメーターであり、次の式で計算できます。

$$ \ eta =\ frac {t_d} {t_c} \ times 100 \％$$（4）

ここでη クーロン効率、 t を表します _d および t _c それぞれ放電時間と充電時間を示します。 Co ₃のクーロン効率 O ₄ ナノキューブで修飾された電極は、サイクルテスト全体でほぼ100％のままであり（図7）、疑似容量反応が著しく可逆的であることを示唆しています。

Co ₃のイオン移動および電荷移動特性 O ₄ ナノキューブとナノシートで修飾された電極をEIS測定でさらに調査し、結果を図8に示しました。高周波領域の半円と低周波領域の直線が対応するナイキスト線図に表示されていることがわかります。内部抵抗（ R _s ）は、電解質のイオン内部抵抗、活物質の内部抵抗、および電極材料と電解質の間の接触抵抗の合計を指します。 R _s 値は、実軸（ Z ）上の半円の切片に反映されます。 ’）。半円の直径に反映される電荷移動の抵抗は、直径が小さいほど、電解質と活物質の間のイオンの移動が良くなります。ウォーバーグインピーダンス（ Z _W ）低周波の直線の傾き、 Z _W 主にOH ^- の拡散によって引き起こされます電解質中のイオン。図8の挿入図は、EISデータから適合された等価回路であり、これからより良い理解を得ることができます。 2つの電極のEIS結果を分析することにより、 R _s Co ₃の場合は0.78および0.72Ωであることがわかりました O ₄ それぞれ、ナノキューブおよびナノシートで修飾された電極。これは、薄いシート状の構造が、立方構造よりも電解質中のイオン透過に有利であるという事実に起因する可能性があります。さらに、 R _ct 2種類の電極の値はそれぞれ6.9と4.1Ωであり、ナノシートで修飾された電極がより高い電荷移動能力を提供したことを示唆しています。

結論

多孔質Co ₃ O ₄ 準立方体は、卵白アルブミンを利用した水熱法と、それに続く空気中の前駆体の直接高温処理によって調製されました。最終的なCo ₃のサイズと形状 O ₄ サンプルは、それぞれ卵白アルブミンの量と熱水反応時間と密接な関係がありました。そのようなCo ₃ O ₄ 立方体は、表面積が80.3 m ² のメソポーラス特性を備えていました。 / g、平均細孔径5.58 nm、主細孔径分布4.03nm。これらのCo ₃ O ₄ 準立方体は作用電極に加工され、754 F g ^-1 の高い比容量を実現しました。 1 A g ^-1 および581F g ^-1 電流密度10A g ^-1 。 5 A g ^-1 で4000サイクルを連続して行った後、86.7％の静電容量保持率が得られ、良好なサイクル安定性が実証されました。これらのCo ₃の優れた電気化学的特性 O ₄ キューブは、高度なスーパーキャパシターの有望な電極材料になることを可能にします。さらに、卵白アルブミンを利用した合成ルートは、新しい形態と優れた電気化学的性能を備えた他の酸化物ベースの電極材料を調製するために拡張されることが期待されています。