赛普拉斯叶状 Cu(OH)2 纳米结构/石墨烯纳米片复合材料的一步原位自组装具有优异的循环稳定性用于超级电容器
摘要
过渡金属氢氧化物和石墨烯复合材料有望成为下一代用于储能应用的高性能电极材料。在这里,我们通过一步原位合成工艺制备了柏树叶状 Cu(OH)2 纳米结构/石墨烯纳米片复合材料,用作超级电容器中高效电化学储能的新型电极材料。应用基于溶液的双电极系统来合成 Cu(OH)2/石墨烯混合纳米结构,其中阳极石墨烯纳米片由于静电相互作用而牢固地锚定阴极 Cu(OH)2 纳米结构。 Cu(OH)2/石墨烯的原位自组装确保了良好的结构稳健性,柏树叶状的Cu(OH)2纳米结构促使形成开放和多孔的形态。混合结构将促进电荷传输并有效减轻长期充电/放电循环期间的体积变化。因此,Cu(OH)2/石墨烯复合材料的电容最高为 317 mF/cm 2 在电流密度为 1 mA/cm 2 以及优异的循环稳定性,在 20,000 次循环后没有电容衰减,并且在增加电流密度时具有显着的倍率性能。
介绍
化石燃料的日益枯竭和环境污染的加剧,迫切需要探索可持续能源,开发储能技术,以满足现代社会众多电子设备和混合动力汽车的应用需求[1, 2]。作为一种很有前途的储能设备,超级电容器(SCs)因其体积小、功率密度高、充电速度快、寿命长和操作安全性好而备受关注[3,4,5,6,7,8]。是基于能量存储机制的两类 SC,赝电容器和双电层电容器 (EDLC) [9]。碳材料具有丰富、无毒、比表面积大、导电性好、化学耐久性优异等诸多优点,是双层电容器(EDLC)的典型电极材料,在靠近电解质/电极表面的双电层中储存电荷通过静电吸附 [10,11,12,13,14,15,16]。然而,碳材料通常表现出相对低的比电容。相比之下,许多廉价的过渡金属氢氧化物,如 Ni(OH)2 [17, 18]、NiO [19]、MnO2 [20]、Co3O4 [21] 部分依赖于电极上发生的快速可逆法拉第氧化还原反应表面,提供更高的赝电容 [22, 23]。不幸的是,它们中的大多数都具有固有的导电性差,并且在电化学过程中会发生巨大的体积变化,从而导致可逆性差和循环寿命短 [24]。显然,为了以低成本合成高性能电极材料,将易得的过渡金属氢氧化物与碳材料结合具有成本效益和简便的制备策略具有重要意义。
在各种过渡氢氧化物中,Cu(OH)2 因其天然丰度、环境友好和快速氧化还原对而成为最有前途的电极材料之一 [25,26,27]。除了大多数碳材料的上述特性外,石墨烯还具有非常大的比表面积,其主要表面暴露在电解质中,表现出很高的比电容(550 F/g)[28]。为了提高电极的导电性和容量,设计了 Cu(OH)2 和石墨烯复合材料作为电极,有效地抑制了 Cu(OH)2 的体积变化,防止了石墨烯的严重团聚和重新堆积,因为典型的柔性石墨烯的坚固性和坚固性使电极材料能够有效地保持结构集成 [26, 29,30,31]。马汉蒂等人。展示了还原氧化石墨烯/Cu(OH)2 复合材料,其具有 602 F g -1 的高电容 5000 次循环后,电容保持率高达88.8%。与原始的 Cu(OH)2 [26] 相比,比电容和循环稳定性都显着提高。加西米等人。通过包括电泳沉积和电沉积技术在内的多个步骤制备的Cu2O-Cu(OH)2-石墨烯纳米复合材料的比电容为425 F g −1 并在电流密度为 10 A g −1 时保持初始电容的 85% 左右 2500 次循环后[32]。尽管报告中增强了超级电容特性,但大多数这些方法既复杂又昂贵。此外,已报道的用于超级电容的Cu(OH)2/石墨烯复合材料的循环稳定性有待进一步提高。
在这项工作中,我们报告了在双电极系统中实现的丝柏叶状 Cu(OH)2 纳米结构/石墨烯纳米片复合材料的一步原位自组装,其中石墨烯纳米片通过阳极和石墨的电化学剥离产生。同时在阴极的铜泡沫上形成 Cu(OH)2 纳米结构。纳米复合材料的形态和结构以及不同组分之间的相互作用会影响它们的电化学储能性能。透明的几层石墨烯纳米片牢固地固定在柏树叶状的 Cu(OH)2 表面,形成多孔、开放和互连的结构。这种独特的混合结构有望赋予这种复合材料快速的电荷转移速度、高电化学活性和优异的稳定性。因此,Cu(OH)2/石墨烯复合材料表现出优异的电化学储能性能、高比电容和超过20,000 次循环的良好循环稳定性,使其成为高性能SCs的理想电极材料。
方法部分
样品准备
泡沫铜(10 × 15 × 1.6 mm 3 , 厦门永昌硕电子科技有限公司,中国)和石墨箔(10 × 15 × 1.0 mm 3 , Shanghai Alfa Aesar Chemical Co. Ltd., China) 切片分别用无水乙醇和去离子水在超声波浴中洗涤 15 分钟 [33],然后将切片放入去离子水中备用。如图 1 所示,电化学合成过程是在双电极电池系统中实施的 [9],其中石墨箔作为阳极,铜泡沫作为阴极。为了实现柏树叶状Cu(OH)2纳米结构/石墨烯纳米片复合材料的原位自组装,电解液为0.1 M(NH4)2SO4(100 mL)和NH3·H2O(3 mL)的混合溶液.当双电极电池系统施加7 V的直流电压1 h时,阳极石墨箔发生电化学剥离并分解成大量石墨烯纳米片,阴极Cu泡沫被腐蚀成丝柏叶状Cu (OH)2 由 NH3·H2O 生成。
$$ \mathrm{Cu}+6\ \mathrm{N}{\mathrm{H}}_3+2\ {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\left[\mathrm{Cu} {\left(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3\right)}_6\right]}^{2+}+2\ \mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-} +{\mathrm{H}}_2\uparrow $$ (1) $$ \mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+2\ \mathrm{O}{\mathrm{H}} ^{-}\to \mathrm{C}\mathrm{u}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 $$ (2)结果和讨论
通过 X 射线衍射研究了 Cu(OH)2/石墨烯复合材料的形成和相纯度(图 2a)。在 43.4 ° 处用星号标记的峰 , 50.6 ° , 和 74.4 ° 对应于泡沫铜的金属铜 (JCPDS 04-0836)。而衍射峰位于16.7 ° , 23.9 ° , 34.2 ° , 36.0 ° , 38.3 ° , 39.9 ° , 53.5 ° , 55.3 ° , 56.5 ° , 和 65.0 ° 与 Cu(OH)2 (JCPDS 01-080-0656) 一致。衍射图中的尖峰表明合成材料具有良好的结晶度和高纯度的 Cu(OH)2 相。拉曼光谱是表征碳材料的重要仪器。图 2b 显示了 Cu(OH)2/石墨烯复合材料的拉曼光谱。拉曼光谱在 1349 cm −1 处表现出三个明显的峰 , 1579 cm −1 , 和 2715 cm −1 分别对应于石墨烯的D-band、G-band和2D-band,证实了石墨烯的存在[9]。
结论
我们采用了一种基于溶液的简单电化学方法,在 Cu 泡沫上原位合成了柏树叶状 Cu(OH)2 纳米结构/石墨烯纳米片,用作超级电容器的有前途的电极。这种新型混合纳米结构使 Cu(OH)2/石墨烯纳米复合材料具有丰富的氧化还原反应、良好的电荷转移和较短的电解质离子扩散途径。当评估作为超级电容器的电极材料时,Cu(OH)2/石墨烯纳米复合材料表现出 317 mF cm -2 的高可逆电容 以及出色的稳定性,在 2 mA cm −2 的电流密度下在 20,000 次循环中保持 100% 保留 并且在增加的电流密度下具有显着的倍率能力。该合成方法将为其他氢氧化物的简便制备打开一扇新的大门,并为实现卓越的电化学储能装置提供有效的策略。
缩写
- 简历:
-
循环伏安法
- EDLC:
-
双电层电容器
- EIS:
-
电化学阻抗谱
- FESEM:
-
场发射扫描电镜
- GCD:
-
恒电流充放电测量
- HRTEM:
-
高分辨透射电子显微镜
- SAED:
-
选区电子衍射
- SC:
-
超级电容器
- SEM:
-
扫描电镜
- TEM:
-
透射电子显微镜
- XPS:
-
X射线光电子能谱
- XRD:
-
X射线衍射
纳米材料
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