ZNCO, легированный серой, усовершенствовал конструкцию суперконденсатора

ZNCO, легированный серой, усовершенствовал конструкцию суперконденсатора

Недавнее исследование, опубликованное в Журнале сплавов и соединений сосредоточено на увеличении плотности энергии оксидов переходных металлов, таких как оксиды цинка-никеля-кобальта (ZNCO), путем легирования гетероатомами серы.

<img alt=" суперконденсатор "src =" https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_38314_16388046765119886.jpg "width =" 1000 "height =" 721 "/> [1945129011]

Исследование: Функциональные легированные серой наностержни из оксида цинка, никеля и кобальта с высокой плотностью энергии для асимметричных суперконденсаторов. Изображение предоставлено: Петр Соболев / Shutterstock.com

Оксиды переходных металлов появились в качестве потенциальных электродов для суперконденсаторов в последнее десятилетие из-за их низкой токсичности. Однако из-за медленного переноса заряда и неадекватных реакционных центров этих оксидов они подходят только для небольшого числа применений.

Введение серы в ZNCO увеличивает количество кислородных вакансий, что приводит к появлению дополнительных активных центров и улучшенной проводимости электрода S-ZNCO.

Электроды из оксидов переходных металлов для суперконденсаторов

В последние годы различные исследования были сосредоточены на экологически чистых технологиях хранения энергии, в частности, на топливных элементах и ​​суперконденсаторах (SC). Материал электродов является критическим элементом суперконденсаторов и в значительной степени влияет на их емкость хранения энергии.

Асимметричные суперконденсаторы предлагают определенные преимущества перед другими системами в отношении концентрации энергии, безопасности, увеличенного срока службы и различных функций хранения, но их низкая плотность энергии сильно ограничивает их использование.

Оксиды переходных металлов приобрели большой интерес в качестве материалов потенциальных электродов в электрохимических суперконденсаторах из-за их низкой стоимости, нетоксичности и естественной доступности.

Предыдущее исследование показало, что наиболее распространенный оксид переходного металла, а именно электрод Co-Ni-Zn-O, демонстрирует лучшую способность к зарядке, чем сопоставимые монометаллические и биметаллические оксиды, из-за более сильных электрохимических реакций.

Однако из-за его слабой внутренней емкости носителей заряда и небольшого количества реакционных центров кинетика его реакции является медленной, что значительно затрудняет ее применимость и исследования.

Новый метод увеличения проводимости ZNCO с помощью серного допирования

В последнее время несколько исследований показали, что кислородные вакансии могут быть созданы путем легирования неспаренными электронами, такого как легирование фосфором или серой, что может улучшить химическую реактивность, ускорить прохождение заряженных частиц и улучшить скорость электролитической реакции материала электрода.

Согласно результатам теории функционала плотности (DFT), кислородные вакансии понижают энергию связи, что улучшает передачу электронов и электронную проводимость.

Как правило, электропроводность металлоорганических сульфидных электрокатализаторов выше, чем у электродов суперконденсатора на основе оксидов переходных металлов. Однако полное или сильное отверждение электродных материалов может привести к снижению эффективности работы и циклического режима.

Кроме того, сродство к электрону у серы значительно ниже, чем у кислорода, а это означает, что она с большей вероятностью образует большое количество кислородных вакансий, чем сера. Следовательно, возможно дальнейшее улучшение проводимости ZNCO путем введения дополнительных кислородных вакансий в соединение ZNCO посредством легирования серой.

Синтез электродов ZNCO, легированных серой

Источником серы, использованным в этом исследовании, был сульфид натрия, и оксиды цинка-кобальта-никеля, легированные серой, были разработаны и изготовлены на наноструктурах пены никеля с использованием простого гидротермального подхода с последующим обменом ионов.

На первом этапе наночастицы ZNCO были получены с использованием методов отжига. Затем был создан материал электрода цинк-никель-кобальт, легированный серой, путем сульфуризации наночастиц ZNCO. Атомы серы были обработаны кислородными вакансиями для улучшения электропроводности электродов.

Структурные характеристики

Двухэлектродная установка использовалась для исследования электролитических характеристик и проводимости ZNCO, легированного серой.

Различные методы определения характеристик, такие как сканирующая электронная микроскопия (SEM) и рентгеновская дифрактометрия (XRD), использовались для исследования энергоемкости и эффективности преобразования изготовленной системы суперконденсаторов.

Электронный парамагнитный резонанс был использован для исследования кристаллической фазы и межфазного окисления материалов ZNCO, легированных серой. Размер наночастиц и заряд поверхности были определены с помощью тестов адсорбции и десорбции атомов азота.

Значение легирования серой на электроде ZNCO

В этом исследовании был синтезирован уникальный наноматериал ZNCO, легированный серой, с помощью простого гидротермального и окислительно-восстановительного подхода. Из-за слабой проводимости оксида цинка-никеля-кобальта кислородные вакансии были созданы легированием серы, и из-за синергетического воздействия наноструктур материал S-ZNCO / NF показал хорошие электрокаталитические характеристики, большее количество реакционных центров и более быструю кинетику реакции. .

Удельная емкость оксида цинка-никеля-кобальта, легированного серой, достигла высокого значения 2919,6 Фг -1 . Кроме того, после 5000 циклов заряда / разряда диэлектрическая стабильность составила 92,65%. Удельная энергия асимметричных суперконденсаторов, состоящих из легированных серой ZNCO / NF (катод) и AC (анод), составляла 72,97 Вт-ч-кг -1 .

В заключение, это исследование продвигает исследования легирования гетероатомами оксидов переходных металлов, а также предлагает новое направление для создания асимметричных суперконденсаторов.

Читать далее: Обзор графена в устройствах хранения энергии.

Ссылка

Guo, Y. et al. (2021) Функциональные легированные серой наностержни из оксида цинка, никеля и кобальта с высокой плотностью энергии для асимметричных суперконденсаторов. Журнал сплавов и соединений s . Доступно по адресу: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925838821044637[19459007impression

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.

Source link