デュアルNi/Co

Jun 17, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12422 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、高性能非対称スーパーキャパシタの活物質として機能するリンドープ還元酸化グラフェン (PrGO) 上に金属有機二重構造体 (Ni/Co-Hemin MOF) を直接合成しました。 このナノコンポジットはスーパーキャパシタの活物質として利用され、1.0 A g-1 で 963 C g-1 という注目すべき比静電容量を示し、電流密度を 20 倍に増加させた際の 68.3% の高レート能力と優れたサイクル特性を示しました。安定性。 我々の包括的な特性評価と制御実験により、パフォーマンスの向上は、GO のバッテリー型スーパーキャパシタの動作に影響を与える、デュアル MOF とリンの存在の複合効果によるものである可能性があることが示されました。 さらに、Ni/Co-Hemin/PrGO/ニッケルフォーム (NF) と活性炭 (AC)/NF を使用して非対称ハイブリッド スーパーキャパシター (AHSC) を作製しました。 この AHSC は、1.0 A g-1 で 281 C g-1 の比容量、1.80 V の動作電圧、0.9 kW kg-1 の高出力密度で 70.3 Wh kg-1 という驚異的なエネルギー密度を実証しました。 特に、直列に接続された 3 つの AHSC デバイスが、約 42 分間クロックに電力を供給することに成功しました。 これらの発見は、高度なスーパーキャパシタシステムにおけるヘミンベースのMOFの潜在的な応用を強調しています。

エネルギーは、21 世紀において最も重要な科学的主題とみなされています 1,2。 地球が生き残るためには、温室効果ガスの排出と大気汚染を削減するための再生可能エネルギーが不可欠です3。 したがって、太陽光4、風力5、燃料電池6などの新しいエネルギー生成技術には、エネルギーを蓄積するデバイスが必要です。 リチウムイオン電池とスーパーキャパシタは、2 つの主要な電気エネルギー貯蔵システムです。 これらは、ポータブル デバイスやスマート グリッド展開向けに長年にわたって開発されました7。 スーパーキャパシタは、従来のキャパシタと比較して大量の電荷を蓄積でき、エネルギーを迅速に供給し、急速充電能力があり、長寿命で、優れた低温性能を提供し、環境に優しく、低コストです。 さらに、電池とは異なり、過充電しても爆発することはありません8、9、10、11。

一方、Ragone プロット 12 は、高い比電力密度におけるスーパーキャパシタの重要性を示しています。 さらに、スーパーキャパシタの静電容量は、等価直列抵抗、電極および電解質の材料の影響を受け、動作電圧に影響を与えます13、14。 したがって、スーパーキャパシタの最高の性能を得るには、高静電容量、高動作電圧、低抵抗が必要です15。 これらのことから、すべてのパラメータの中でも、電極材料はスーパーキャパシタの性能開発において重要な役割を果たします15。 言い換えれば、ハイブリッド スーパーキャパシタ デバイスは、低い運用コストで高いエネルギー貯蔵容量を提供できる電気化学エネルギー貯蔵システムの進歩にとって極めて重要です16。

効果的と思われるこれらの電極材料の 1 つは、MOF、有機リンカーに配位した金属イオンまたは金属クラスターからなる多孔質ハイブリッド材料です 17、18、19。 このタイプの構造には、高い内部表面積、高い多孔性、構造的および化学的調整可能性、および優れた安定性という利点があります。 さらに、MOF は、細孔の均一性による多孔性と、原子レベルの構造、寸法、形状、機能性、ネットワーク トポロジーの柔軟性の観点から制御できます 20,21。 しかし、ほとんどの純粋な MOF は指揮者としては劣っています 22,23。 この欠点を克服するための最も一般的な戦略の 1 つは、MOF を炭素材料 (還元酸化グラフェンおよびカーボン ナノチューブ) または導電性ポリマー (ポリピロールおよびポリアニリン) と組み合わせることです 24。 さらに、複合材料に還元酸化グラフェン（rGO）を組み込むことは、製造プロセス中と実際の使用中の両方で、グラフェンの凝集と再積層を妨げる効果的な手段として機能する可能性があります25。 rGO が示す優れた機械的および化学的耐久性により、rGO は有効成分の優れた足場材料となり、構造劣化を効果的に軽減し、それによってシステムのサイクル安定性を向上させることができます 26。