Électrode cœur-coquille NiO flocons@CoMoO₄ nanosheets sur mousse Ni pour supercapaciteurs avancés haute performance

Résumé

Les oxydes de métaux de transition (OMT) attirent l'attention comme électrodes pseudocapacitives grâce à leur capacitivité théorique élevée, abondance, respect environnemental. Cependant, capacitivité spécifique pratique souvent inférieure théorie, et changements volume durant cyclage compromettent stabilité. Architecture cœur-coquille peut combiner synergiquement voies électroniques rapides cœur et sites redox abondants coquille, atténuant ces problèmes. Nous rapportons synthèse hydrothermale deux étapes NiO flocons@CoMoO₄ nanosheets (NS) croissus sur mousse nickel (NF) formant architecture cœur-coquille 2D branchée. Nanosheets CoMoO₄ alignées verticalement fournissent sites actifs amples, canaux ioniques efficaces, transport électronique amélioré. Comme électrode positive, NiO flocons@CoMoO₄ NS/NF délivre capacitivité spécifique impressionnante 1 097 F g⁻¹ à 1 A g⁻¹ et retient 97,5 % après 2 000 cycles. Supercapaciteur asymétrique (ASC) assemblé avec AC/NF électrode négative atteint 25,8 Wh kg⁻¹ à 894,7 W kg⁻¹, préservant 100 % capacité 3 000 cycles. Résultats soulignent design cœur-coquille 2D branchée stratégie puissante électrodes OMT haute performance.

Introduction

Adoption rapide énergies renouvelables escalade demande solutions stockage énergie sûres, haute puissance, longue durée. Supercapaciteurs, offrant cycles charge-décharge rapides, haute densité puissance, sécurité robuste, de plus en plus pertinents. Traditionnellement divisés condensateurs double couche électrique (EDLC) et pseudocapaciteurs ; ces derniers stockent charge via réactions redox surface, permettant densités énergie plus élevées.

OMT attractifs matériaux pseudocapaciteurs grâce capacitivité théorique élevée, faible coût, compatibilité environnementale. Pourtant, capacitivité pratique souvent limitée utilisation incomplète matériau et expansion volume cyclage. Deux stratégies efficaces adressent ces défis : (1) croissance directe matériaux actifs substrats conducteurs (ex: mousse Ni) éliminer couches « mortes » améliorer conductivité ; (2) ingénierie nanostructures, architectures cœur-coquille, exploiter voies transport électronique ionique synergiques.

Designs cœur-coquille traditionnels souffrent blindage coquille restreint accessibilité cœur. Pour surmonter, nous développons structure cœur-coquille 2D branchée où nanosheets CoMoO₄ croissent verticalement sur flocons NiO. Configuration maximise contact surface, améliore voies électroniques, crée canaux poreux accommodant diffusion électrolyte soulageant contrainte cyclage. Résultant électrode NiO flocons@CoMoO₄ NS/NF exhibe performance électrochimique exceptionnelle, démontrant promesse architectures cœur-coquille branchées électrodes supercapaciteurs nouvelle génération.

Section Méthodes

Synthèse NiO Flocons/NF

Mousse nickel (NF, 1,5 × 3,5 cm²) d'abord attaquée 3 M HCl 2 h oxydes surface, séchée 60 °C 12 h. NF prétraité immergé 32 mL eau déionisée transféré autoclave inox 40 mL. Autoclave scellé chauffé 140 °C 24 h (étape 1). Refroidissement naturel, produit lavé, séché 60 °C, recuit 400 °C 2 h (étape 2) convertir β-Ni(OH)₂ en NiO. Procédure illustrée Fig. 1.

Synthèse NiO Flocons@CoMoO₄ NS/NF

Solution CoCl₂·6H₂O (65,1 mg) Na₂MoO₄·2H₂O (50,8 mg) 23 mL eau déionisée préparée agitation. NiO flocons/NF immergé 30 min, placé autoclave 40 mL chauffé 160 °C 6 h (étape 3). Post-traitement nettoyage ultrasonique, séchage vide 60 °C 12 h, calcination finale 400 °C 2 h (étape 4) former NiO flocons@CoMoO₄ NS/NF. CoMoO₄ flocons/NF fabriqués similaires mais NF nue.

Caractérisation matériaux

Diffraction rayons X (Rigaku D/Max-02400, Cu Kα) confirmait pureté phase. MEB-FEG (Zeiss Gemini, Hitachi SU8100) HRTEM (JEM-2100F) révélaient morphologie structure cristalline. XPS (Thermo ESCALAB 250Xi) identifiait états élémentaires. Analyse BET (BELSORP-max) mesurait surface spécifique porosité.

Mesures électrochimiques

Tous tests station μIII Autolab 6 M KOH. Tests trois électrodes Ag/AgCl saturé (référence) Pt foil (contre), NiO flocons@CoMoO₄ NS/NF électrode travail (1 cm²). CDG CV mesuraient capacitivité ; EIS 100 kHz–0,01 Hz. Chargements massiques déterminés variations poids avant/après synthèse (0,79 mg cm⁻² NiO flocons, 1,14 mg cm⁻² CoMoO₄ NS, 1,93 mg cm⁻² composite). Cellules ASC 6 M KOH NiO flocons@CoMoO₄ NS/NF positive AC/NF négative. Équilibre massique équation (2) match capacités charge chaque électrode.

Résultats et discussion

Caractérisations

Diagrammes DRX (Fig. 2a) confirment formation NiO après calcination et émergence pics CoMoO₄ 26,5°, 29,1°, 32,1°, 33,7° plans (002), (310), (±1 31), (±2 22). Pics impuretés absents, confirmant pureté phase. Spectres XPS (Fig. 2b-f) montrent Co²⁺/Co³⁺, Mo⁶⁺, Ni²⁺/Ni³⁺, oxygène réseau, vérifiant formation composite réussie.

Images MEB (Fig. 3a-i) révèlent évolution flocons Ni(OH)₂ poreux vers flocons NiO méso-poreux, enfin nanosheets CoMoO₄ branchées densément recouvrant flocons. HRTEM confirme espacements réseau 0,242 nm 0,148 nm NiO (111 220) 0,199 nm/0,196 nm CoMoO₄ (± 4 03 ± 5 11). Analyse BET (Fig. 4g-i) surfaces spécifiques 28,2, 45,3, 53,5 m² g⁻¹ Ni(OH)₂, NiO, composite respectivement, tailles pores moyennes 6,13, 6,57, 4,16 nm. Surface plus élevée pores plus petits composite facilitent accès électrolyte transport ions.

Performance électrochimique NiO@CoMoO₄/NF

Capacitivité spécifique calculée équation (3). Composite atteint 1 097 F g⁻¹ à 1 A g⁻¹, significativement supérieur NiO flocons (349 F g⁻¹) CoMoO₄ flocons (316 F g⁻¹). Capacitivité reste >500 F g⁻¹ même 10 A g⁻¹, indiquant excellente capacité débit. Courbes CV (Fig. 5b) montrent pics redox prononcés large aire enclosed, confirmant comportement pseudocapacitif. Courbes CDG (Fig. 5c) formes symétriques temps décharge longs. Structure 2D branchée fournit sites actifs abondants courts chemins diffusion ions, boostant performance (Fig. 5f).

Après 2 000 cycles 2 A g⁻¹, composite retient 97,5 % capacitivité initiale, tandis NiO flocons CoMoO₄ flocons chutent 82,4 % 70 % respectivement. Analyse EIS montre résistance série plus faible (0,4 Ω) résistance transfert charge (0,21 Ω) composite vs constituants, soulignant cinétique électronique supérieure.

Performance ASC (NiO Flocons@CoMoO₄ NS/NF//AC/NF)

ASC opère fenêtre 1,8 V (Fig. 6a). Courbes CV (Fig. 6b) révèlent comportement EDLC AC pseudocapacitance composite, dispositif maintient forme hauts taux balayage. Courbes CDG (Fig. 6d) 1–5 A g⁻¹ produisent densité énergie 25,8 Wh kg⁻¹ à 894,7 W kg⁻¹, encore délivrent 16,8 Wh kg⁻¹ à 4 500 W kg⁻¹. LED unique alimentée 10 min démontre applicabilité pratique. ASC montre 100 % rétention capacité 3 000 cycles 5 A g⁻¹, changement morphologique négligeable (Fig. 6f).

Conclusion

Nous avons fabriqué avec succès électrode cœur-coquille NiO flocons@CoMoO₄ nanosheets sur mousse Ni via route hydrothermale deux étapes. Architecture 2D branchée délivre haute capacitivité spécifique 1 097 F g⁻¹, faible résistance transfert charge, stabilité cyclage exceptionnelle (97,5 % après 2 000 cycles). Associée AC, ASC résultant atteint 25,8 Wh kg⁻¹ à 894,7 W kg⁻¹ et retient capacité totale 3 000 cycles. Résultats confirment designs cœur-coquille branchés débloquent plein potentiel OMT supercapaciteurs haute performance.

Disponibilité données et matériaux

Toutes données pleinement disponibles sans restriction.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

AC :

Carbone actif

ASC :

Supercapaciteur asymétrique

CV :

Voltammétrie cyclique

EDLC :

Condensateurs double couche électrique

EIS :

Spectroscopie impédance électrochimique

MEB-FEG :

Microscopie électronique balayage émission champ

CDG :

Charge-décharge galvanostatique

HRTEM :

Microscopie électronique transmission haute résolution

NF :

Mousse Ni

NS :

Nanosheets

PTFE :

Polytétrafluoroéthylène

OMT :

Oxydes métaux transition

XPS :

Spectroscopie photoélectronique X

DRX :

Diffractomètre rayons X