Большой

May 25, 2023

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 20021 (2016) Цитировать эту статью

6389 Доступов

64 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Электрохимические характеристики и стоимость производства являются основными проблемами практического применения суперконденсаторов. Здесь мы сообщаем о простом и универсально применимом методе получения гибридных оксидов металлов с помощью окислительно-восстановительной реакции металлов, впервые использующей присущую металлам восстанавливаемость и окисляемость. Например, гибридные нанолисты Ni(OH)2/MnO2 (NMNS) выращиваются для применения в суперконденсаторах путем самореакции подложек из пенопласта Ni в растворе KMnO4 при комнатной температуре. Полученные гибридные нанолисты обладают высокой удельной емкостью (2937 Ф·г-1). Собранные твердотельные асимметричные псевдоконденсаторы обладают сверхвысокой плотностью энергии 91,13 Втч/кг (при плотности мощности 750 Вт/кг) и исключительной циклической стабильностью с сохранением емкости 92,28% после 25 000 циклов. Гибридные оксиды Co(OH)2/MnO2 и Fe2O3/MnO2 также синтезируются по этому окислительно-восстановительному механизму металлов. Этот экологичный и недорогой метод позволяет обеспечить крупномасштабное производство и одноэтапную подготовку электродов, что открывает перспективы для практического применения высокопроизводительных псевдоконденсаторов.

По механизму накопления заряда суперконденсаторы можно разделить на электрохимические конденсаторы с двойным слоем (EDLC) и псевдоконденсаторы. EDLC, в которых в качестве электродных материалов обычно используются углеродные материалы, такие как нанопористый углерод, полученный из металлоорганических каркасов1,2 и графен3, обладают высокой энергоемкостью и хорошей стабильностью. В последнее время псевдоконденсаторы привлекли особое внимание благодаря способности хранить гораздо больше электрической энергии, чем EDLC на основе углерода4,5. В последние годы значительные усилия были направлены на исследование высокопроизводительных псевдоемкостных материалов из-за их высоких теоретических удельных емкостей6,7,8. Среди различных псевдоемкостных материалов оксиды/гидроксиды переходных металлов, такие как RuO2, MnOx, NiO, Ni(OH)2, CoOx, Co(OH)2, VOx и FeOx, продемонстрировали привлекательные характеристики для применения в суперконденсаторах9,10,11,12,13 ,14,15,16. Типичные методы получения псевдоемкостных оксидов включают гидротермальный синтез12,16,17,18,19,20,21, электроосаждение9,15,22,23,24 и синтез в растворе10,11,14,25,26,27,28. Гидротермальный синтез обычно основан на химических реакциях с участием реагентов, содержащих соответствующий металлический элемент, при высокой температуре и давлении, в то время как электроосаждение протекает через потенциал-окислительно-восстановительную реакцию солей металлов. Для этих двух методов производительность или размер (по подложкам) изделий в основном ограничиваются необходимым оборудованием. По сравнению с гидротермальным синтезом и электроосаждением, синтез в растворе является простым, дешевым и пригодным для крупномасштабного производства. Как правило, синтез в растворе основан на химической реакции при комнатной температуре, вызванной изменениями свободной энергии или разницей в окислительно-восстановительном потенциале. Например, для получения Ni(OH)2 и Co(OH)2 используют соли Ni и Co на основе химической реакции Mx+ + xOH− = M(OH)x (M = Ni, Co) в щелочных условиях. условия14,26. Что касается MnO2, для восстановления KMnO4 используются различные восстановители, такие как сульфат марганца10, боргидрид калия29, гипофосфит натрия29, соляная кислота29, этиленгликоль30 и углерод13,31,32. Среди этих восстановителей широко используется углерод по уравнению (1)13,31,32:

Аналогично этой окислительно-восстановительной реакции, нульвалентные металлы должны быть способны восстанавливаться благодаря присущей металлам восстанавливаемости33 и окисляемости. Но, напротив, продукты не могут быть чистым MnO2, поскольку одновременно образующиеся оксид или гидроксид металла нерастворимы. Таким образом, это может стать новым способом получения гибридных оксидов металлов. Сообщалось, что соединение оксидов различных металлов может создавать синергетические и взаимодополняющие эффекты при применении суперконденсаторов, обеспечивая улучшенные и универсальные свойства13,18,34. Однако, насколько нам известно, о получении гибридных оксидов металлов этим путем до сих пор не сообщалось.