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Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 16221 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Aufgrund der Bedeutung von Energiespeichersystemen auf Basis von Superkondensatoren wurden verschiedene Studien durchgeführt. In dieser Forschung wurden CuO, NCNO und die Blume wie CuO/NCNO als neuartige Materialien auf diesem Gebiet untersucht. Das Ergebnis zeigte, dass die synthetisierten CuO-Nanostrukturen eine blütenähnliche Morphologie aufweisen, die durch FE-SEM-Analyse untersucht wurde. Darüber hinaus bestätigte das XRD-Muster die kristallinen Eigenschaften des CuO/NCNO-Nanokomposits und das Raman verifizierte die funktionellen Gruppen und Schwingungen der Komponenten des CuO/NCNO-Nanokomposits. In einem Zwei-Elektroden-System bei einer Stromdichte von 4 A/g betrugen die Kapazität, die Leistungsdichte und die Energiedichte 450 F/g, 3200 W/kg bzw. 98 Wh/kg. Die Ladungsübertragungswiderstände der CuO- und NCNO/CuO-Elektroden betrugen 8 bzw. 2 Ω, was zeigt, dass die Leitfähigkeit und die superkapazitiven Eigenschaften von Nanokompositen besser sind als bei reinen Komponenten. Auch die Stabilität und der geringe Ladungsübertragungswiderstand sind weitere Vorteile, die bei einer zweisymmetrischen Elektrodenuntersuchung erzielt werden. Die Stabilitätsuntersuchung ergab, dass nach 3000 aufeinanderfolgenden Zyklen nur 4 % der anfänglichen Kapazität der CuO/NCNO-Elektrode abnahmen.

Der Einsatz von Energiespeichergeräten wie Batterien und herkömmlichen Kondensatoren war aufgrund ihrer Größe, geringen Leistungsdichte, geringen Kapazität, langen Ladezeiten, kurzen Lebensdauer und Umweltverschmutzung begrenzt1,2,3,4,5,6 ,7,8,9. Einführung von Superkondensatoren als entwickelte elektrochemische Kondensatoren mit hervorragenden Eigenschaften wie sehr hoher Dichte, hoher Lade- und Entladegeschwindigkeit, hoher Kapazität und Biokompatibilität sowie ihrer industriellen Anwendung (Elektrofahrzeuge, Elektroinstallationen und Stromversorgung von Fabriken) und so weiter on haben die im Bereich der Verwendung von Energiespeichergeräten entstandenen Bedenken teilweise ausgeräumt10,11,12,13,14,15,16,17. Elektrochemische Superkondensatoren verfügen über zwei Mechanismen zur Ladungsspeicherung, abhängig von der Art der in der Elektrodenstruktur verwendeten Materialien. Der Ladungsspeichermechanismus an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt beruht auf der Ionenadsorption in einem elektrischen Doppelschichtkondensator (EDLC)18,19. Das elektrochemische Superkondensatorsystem EDLC besteht hauptsächlich aus Kohlenstoffmaterialien mit großer Oberfläche und porösen Strukturen wie Aktivkohle, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen20,21,22,23,24,25,26. Bei Pseudokondensatoren basiert der Ladungsspeichermechanismus auf Redoxreaktionen oder Elektronenübertragungen (Farada-Reaktionen). In ihrer Struktur werden häufig leitfähige Polymere, Metalle und Übergangsmetalloxide verwendet27,28,29,30,31. Kohlenstoffnanomaterialien sind aufgrund ihrer einfachen Zugänglichkeit, hohen chemischen und mechanischen Stabilität, großen Oberfläche und hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit die besten Materialien für Elektroden für elektrochemische Superkondensatoren. Trotz der reichlichen Verwendung reiner Kohlenstoffnanomaterialien in elektrochemischen Bereichen, insbesondere zur Energiespeicherung, haben niedrige Kapazität und Energiedichte ihre kommerzielle Nutzung eingeschränkt. Die Dotierung der Struktur der Kohlenstoffmatrix mit Heteroatomen wie Phosphor (P), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Schwefel (S) und Fluor (F) ist einer der geeigneten Modifikationsansätze zur Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften und zur Kommerzialisierung von Kohlenstoffnanomaterialien32,33,34. Stickstoff (N)-Heteroatome wurden aufgrund der einfachen Integration in die Struktur von Kohlenstoffnanomaterialien, der Platzierung in der Struktur mit unterschiedlichen chemischen Formen und der Schaffung aktiver Zentren für Redoxreaktionen häufiger untersucht als andere Heteroatome. Außerdem induzieren N-Atome, die im Vergleich zu C- und H-Atomen eine hohe Elektronegativität aufweisen, eine positive Ladung an den benachbarten Kohlenstoffatomen, was die aktiven Stellen auf der Elektrodenoberfläche zur Bindung von Elektrolytionen vergrößert und die Benetzbarkeit der Elektrode verbessert35,36,37. Kohlenstoffnanozwiebeln (CNOs) sind Kohlenstoffpartikel, die mehrere Graphenschichten mit SP2-Hybridisierung enthalten38,39. Die geschichtete Struktur in CNO-Kugeln hat zur Entstehung zahlreicher Ionenkanäle und Poren geführt und die Zugänglichkeit der äußeren Oberfläche der Struktur verbessert. Diese Strukturmerkmale erhöhen ihre elektrokatalytische Aktivität40,41,42. Trotz der guten elektrochemischen Aktivität und der hohen Lade-Entlade-Rate sind die Kapazität und die spezifische Energie in CNO-Strukturen niedrig. Ein grundlegender Ansatz zur Erhöhung der spezifischen Kapazität und des Widerstands von CNO-Strukturen besteht darin, N-Atome in ihre Struktur zu dotieren, wodurch die aktiven Oberflächenzentren für die Adsorption von Elektrolytionen auf ihrer Oberfläche erhöht werden können, was zu einer erhöhten Kapazität führt43,45. Basierend auf den wenigen bereitgestellten Berichten über die Anwendung von N-dotierten CNO-Strukturen sind große Anstrengungen erforderlich, um die Anwendung dieser Kohlenstoffstrukturen im Bereich der Superkondensatoren zu verbessern46. Die Verwendung von Übergangsmetalloxiden (TMOs) in der Elektrodenstruktur erhöht reversible Redoxreaktionen, Energiedichte und Kapazität47,48. Der Einsatz von TMOs in den Elektrodenstrukturen (pseudokapazitiven Elektroden) erhöht zwar die spezifische Kapazität, kann jedoch aufgrund des begrenzten Potentialfensters effektiv die Energiedichte reduzieren. Die primäre und praktische Lösung ist die Herstellung von Nanokompositen durch die Kombination von TMOs als Pseudokondensatormaterialien mit Kohlenstoffnanomaterialien als EDLC-Materialien und die Verwendung der auf Metalloxid/Kohlenstoff-Nanostrukturen basierenden Nanokomposite als Elektrodenmaterialien in elektrochemischen Superkondensatoren49,50. Die aus den genannten Nanokompositmaterialien hergestellten Kondensatoren sind eine Mischung aus EDLC-Kondensatoren und Pseudokondensatoren, die hervorragende Eigenschaften beider Typen aufweisen.

Die Bildung von Nanokompositen aus kohlenstoffbasierten Nanomaterialien und TMOs ist ein geeigneter Ansatz zur Verbesserung der spezifischen Kapazität von CNOs und zur Erweiterung ihrer Anwendungen in elektrochemischen Superkondensatoren. Bisher liegen nur wenige Studien zu diesem Bereich vor. Wang et al. berichteten über einen Co3O4/CNOs-Verbund als elektrochemisches Superkondensatormaterial51. Die Einführung von CNOs verbesserte die strukturelle Stabilität und Leitfähigkeit des Co3O4-Elektrodenmaterials. Wir haben CNOs/MnO2/Fe3O4-Nanokomposite als Superkondensator-Elektrodenmaterialien entwickelt52. Singh et al.53 verwendeten nanoporöse Gold (Au)-N-dotierte CNOs-basierte Mikrosuperkondensatoren zur Entwicklung einer Energiespeichereinheit, die mit mikroelektronischen Geräten kompatibel ist. Aufgrund günstiger Eigenschaften wie einfache und schnelle Synthese, hohe Häufigkeit, hervorragende elektrochemische und elektrokatalytische Eigenschaften, geringe Toxizität und variable Morphologie von Nanopartikeln wurde Kupferoxid (CuO) als eines der am häufigsten verwendeten Metalloxide in Elektrodenmaterialien für Lithium vorgeschlagen -Ionenbatterien, elektrochemische Kondensatoren und antibakteriell54,55. Basierend auf den neuesten Informationen wurde keine Studie zur Herstellung von Nanokompositen aus der Kombination von CuO und N-CNOs und ihrer Anwendung in hybriden elektrochemischen Kondensatoren durchgeführt.

Die Eigenschaften ausgewählter Materialien spielen eine wichtige Rolle bei der Kapazität von Superkondensatoren und der Stromdichte. Daher ist die Auswahl eines geeigneten Materials für einen Superkondensator von entscheidender Bedeutung. Mittlerweile führt auch die Art der Morphologie zu vielen Unterschieden in den Ergebnissen. Es ist notwendig, ein umweltfreundliches Material mit hervorragender Eignung als Elektrodenmaterial in einem Superkondensator zu wählen. Kupferoxid ist aufgrund seines günstigen Preises, seiner guten elektrochemischen Eigenschaften und seiner Umweltverträglichkeit eine gute Wahl unter den Metalloxiden56. Allerdings ist die elektrochemische Leistung von Kupferoxid aufgrund seiner relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit noch weit von den für praktische Anwendungen erforderlichen Werten entfernt. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist die Verwendung von Nanokompositen auf Kupferoxidbasis mit spezieller Morphologie. Daher wird in dieser Arbeit Kupferoxid mit blütenähnlicher Morphologie hergestellt57. Diese Morphologie verhindert die Ansammlung und Aggregation in Oxid-Nanopartikeln und erhöht die Elektronentransferrate zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten. Darüber hinaus diffundieren angesichts der großen Oberfläche, die sich aus Kupferoxid in dieser Morphologie ergibt, mehr Ionen im Elektrolyten an die Oberfläche, was zu einer erhöhten Leistung und Eigenschaften des Superkondensators führt58,59,60. Die Oberfläche von Kupferoxid wird durch die Anwesenheit von NCNO verbessert, das eine gute Leitfähigkeit aufweist. Daher wird ein neues und wünschenswertes Nanokomposit für die Entwicklung eines Superkondensators mit hoher Leistung vorbereitet, das die Stabilität von Kupferoxid in alkalischen Lösungen erhöht und es näher an praktische Anwendungen bringt. Der Literatur zufolge wurde bisher kein CuO/NCNO-Nanokomposit mit blütenähnlicher Morphologie hergestellt. Andererseits wird in dieser Arbeit das CuO/NCNO-Nanokomposit direkt auf der Nickelschaumoberfläche synthetisiert, ohne dass Polymerzusätze verwendet werden, die die Leitfähigkeit des Nanokomposits beeinflussen, wodurch sowohl Zeit als auch Kosten für Verbrauchsmaterialien für die Herstellung von Superkondensatoren gespart werden. In dieser Arbeit wurden Kupferoxid-Nanopartikel zur Bildung eines Nanokomposits mit N-dotierten CNO-Nanopartikeln zur Verwendung als Elektrodenmaterialien in elektrochemischen Superkondensatoren verwendet. Die Struktur des NCNOs/CuO-Nanokomposits wurde mithilfe von SEM- und XRD-Techniken charakterisiert. Für die elektrochemische Analyse der vorgeschlagenen Superkondensatoren auf Nanokompositbasis wurden zyklische Voltammetrie (CV), elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und Lade-Entlade-Methoden verwendet.

Chitosan (mittleres Molekulargewicht, 98,0 %), Kupfersulfat-Pentahydrat (99 %), Essigsäure (100 %), Kaliumhydroxid (99 %), Hexamethylentetramin (HMTA, 99 %) wurden von der Firma Merck bezogen. Die Mikrostruktur und Verteilung der Elemente der Katalysatoren wurden mittels Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM, TESCAN MIRA 3) untersucht, ausgestattet mit einem energiedispersiven Spektrometer (EDS). Röntgenbeugungsmuster (XRD) wurden mit einem Bruker D8 Advance-Diffraktometer mit Cu-Kα-Strahlung aufgezeichnet.

NCNO wurde aus einem kostengünstigen Material ohne Verwendung gefährlicher Materialien hergestellt. Hierzu wurde 1 g Chitosan mit 10 %iger Essigsäure bei einer Temperatur von 60 °C unter Rühren vermischt. Dann wurde 1 g Chitosan-Gel mit 25 ml Wasser gemischt, in den Autoklaven gegeben und 8 Stunden lang in einen Ofen bei 180 °C gestellt. Nachdem der Autoklav abgekühlt war, wurde das schwarze Produkt schließlich mit Wasser und Ethanol gewaschen und bei 60 °C getrocknet.

Die hydrothermale Methode wurde zur Synthese von blütenartigem CuO verwendet. Hierzu wurde 1 g Kupfersulfat in 50 ml Wasser gelöst und 30 min gerührt. Außerdem wurden 2 g HMTA in 25 ml Wasser gelöst und tropfenweise zu der Kupfersulfat enthaltenden Lösung gegeben und 30 Minuten lang gerührt. Anschließend wurde die Reaktionsmischung in einen Autoklaven überführt und 10 Stunden lang auf 180 °C erhitzt. Nach Abschluss der Reaktion und Abkühlen des Produkts auf Umgebungstemperatur wurde das blütenartige CuO-Schwarzprodukt durch Zentrifugieren, Waschen mit Wasser und Ethanol abgetrennt und 12 Stunden lang bei 60 °C getrocknet. Die gleiche Methode wurde zur Synthese des blütenähnlichen CuO/NCNO-Nanokomposits verwendet. Während der Herstellung des Komposits waren auch 50 mg NCNO in der Lösung vorhanden. Nach dem Waschen mit Aceton und Wasser und 12-stündigem Trocknen bei 60 °C wurde außerdem Nickelschaum (1 × 1 cm) einschließlich Nanokomposit-Vorläufer in den Autoklaven gegeben. Nach Erhalt des Endprodukts wurde der das Produkt enthaltende Nickelschaum mit Wasser gewaschen und in einem Ofen getrocknet.

Um die spezifische Kapazität (SC) von Drei- und Zwei-Elektroden-Systemen zu erhalten, verwenden Sie die Gleichungen. (1) und (2) werden jeweils verwendet. Auch Gl. (3) und (4) werden zur Berechnung von Leistung und Energiedichte verwendet.

FE-SEM-Bilder von blütenartigem CuO und CuO/NCNO sind in Abb. 1 dargestellt. Wie die FE-SEM-Bilder von Kupferoxid zeigen, kann für diese Nanostruktur eine blütenartige Morphologie beobachtet werden. Die gleiche blütenartige Struktur kann in Gegenwart von kugelförmigen NCNO-Nanopartikeln beobachtet werden.

FE-SEM-Bild von CuO und CuO/NCNO.

Die XRD-Muster von blütenartigem CuO und CuO/NCNO sind in Abb. 2 dargestellt. Die bei 2θ = 30,7, 36,9, 42,8, 43,7, 50,6, 61,6, 74,3 und 77 Grad beobachteten Peaks stehen im Zusammenhang mit (110), (002), (111), (− 200), (202), (− 113), (022) bzw. (310) Ebenen (gemäß JCPDS 0661-05) [95]. Die gleichen Peaks sind auch im CuO/NCNO-Nanokomposit zu sehen; Aufgrund der geringen Mengen an NCNO im Vergleich zu CuO wird der mit NCNO verbundene Peak jedoch im XRD-Muster des Verbundwerkstoffs nicht beobachtet.

XRD-Muster von CuO und CuO/NCNO.

Um die chemische Zusammensetzung der hergestellten Nanostrukturen zusätzlich zu bestätigen, wurde eine Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Analyse durchgeführt. Ein gemessenes Spektrum des CuO/NCNO-Nanokomposits ist in Abb. 3a dargestellt, das zeigt, dass C-, Cu- und O-Elemente nachgewiesen wurden und keine anderen Verunreinigungen vorhanden sind61. Aus dem hochauflösenden C 1s-Peak von CNOs in Abb. 3b können drei verschiedene Aspekte extrahiert werden, die drei verschiedene chemische Zustände im Kohlenstoff darstellen: Die graphitische Struktur von C=C ist für den Peak bei 284,5 eV verantwortlich, während CC-Bindungen vorliegen sind für den Peak bei 285,3 eV verantwortlich. Darüber hinaus ist CO mit großen Peaks bei 286,9 eV verbunden. Darüber hinaus wird die Existenz von C=O für den Peak bei 289,8 eV62 verantwortlich gemacht. Das hochauflösende XPS-Spektrum von Cu 2p ist in Abb. 3c dargestellt. Die Peakpositionen von Cu 2p1/2 und Cu 2p3/2 betrugen 953,8 eV bzw. 933,8 eV. Die angepassten Peaks bei 934,5 eV und 954,7 eV sind für CuO relevant. Darüber hinaus weisen die beiden erkennbaren Shake-up-Satellitenpeaks zusätzlich auf die Existenz von CuO63 hin. Die Ergebnisse stimmen gut mit denen der XRD überein, was die erfolgreiche Herstellung des CuO/NCNO-Komposits weiter bestätigt.

(a) Übersichts-XPS-Spektrum von CuO/NCNO, hochauflösendes XPS-Spektrum von (b) C1s und (c) Cu 2p aus CuO/NCNO.

Die Raman-Spektren von CuO, NCNO und CuO/NCNO sind in Abb. 4 dargestellt. Diese Abbildung zeigt zwei deutliche Peaks bei 1350 und 1570 cm−1 für NCNO. Der erste Peak im D-Band steht im Zusammenhang mit strukturellen Defekten und der zweite Peak im g-Band steht im Zusammenhang mit E2g-Schwingungen in aromatischen Kohlenstoffen. Außerdem sind im Raman-Spektrum Peaks im Zusammenhang mit CuO/NCNO zu sehen, was auf die Existenz von NCNO im CuO/NCNO-Nanokomposit hinweist. Andere im Raman-Spektrum des CuO/NCNO-Nanokomposits beobachtete Peaks entsprechen denen des Raman-Spektrums von CuO. Der beobachtete Peak steht im Zusammenhang mit den monoklinen Schwingungen der Kristallstruktur, 291 cm−1, 337 cm−1 und 611 cm−1 stehen im Zusammenhang mit A1g, \({B}_{g}^{1}\) bzw. \({B}_{g}^{2}\).

Raman-Spektren von CuO, NCNO und CuO/NCNO.

TEM-Bilder von CuO, NCNO und ihrem Nanokomposit sind in Abb. 5 dargestellt. Winzige kugelförmige Nanopartikel sind mit NCNO verwandt. Auch die Bilder zum blütenähnlichen CuO zeigen die erfolgreiche Synthese dieses Nanopartikels; Die gleiche Morphologie kann für CuO in Gegenwart von NCNO beobachtet werden.

TEM-Bild von Nanomaterialien.

Das Superkondensatorverhalten von CuO- und CuO/NCNO-Nanokompositen in Kaliumhydroxidlösung wurde mittels CV in einem Potentialbereich von −0,2–0,65 V bei einer Scanrate von 50 mV/s untersucht. Die Experimente wurden in einem Drei-Elektroden-System durchgeführt, bestehend aus der Referenzelektrode (gesättigtes Ag/AgCl), der Gegenelektrode (Platindraht) und der Arbeitselektrode (CuO und CuO/NCNO). Die Cyclovoltammogramme von CuO und CuO/NCNO sind in Abb. 6a dargestellt. Das zyklische Voltammogramm der CuO-Elektrode zeigt ein Paar Oxidations- und Reduktionspeaks, die der Umwandlung von Kupfer (I) in Kupfer (II) und umgekehrt entsprechen. Allerdings ist ihr Strom nicht sehr hoch, sodass es sich quasi um eine Umkehrung handelt Reaktion. Eine bessere Reversibilitätsreaktion mit einem höheren Oxidations- und Reduktionsstrom für CuO wird beobachtet, wenn das blütenartige Kupferoxid in Gegenwart von NCNO gebildet wird. Außerdem ist die Oberfläche unter einer Kurve der CuO/NCNO-Elektrode aufgrund der großen Oberfläche von NCNO, die aus einem synergistischen Effekt der CNO- und CuO-Komponenten resultiert, größer als die der CuO-Elektrode. Der Oxidations- und Reduktionsstrom sowie die Oberfläche unter der Kurve sind für diese Elektrode größer. Die Form der CV-Kurve der CuO/NCNO-Elektrode ist signifikanter als die der Kupferoxidelektrode, was auf die höhere Kapazität der CuO/NCNO-Elektrode als der CuO-Elektrode hinweist. Wie die zyklischen Voltammogramme der CuO/NCNO-Elektrode zeigen, ist die Fläche unter der CV-Kurve groß und es wird ein Anstieg des Stroms (im anodischen und kathodischen Abschnitt) aufgrund der 3D-Struktur mit Kohlenstoffnanomaterialien mit hoher Leitfähigkeit beobachtet. Tatsächlich ist der synergistische Effekt zwischen CuO-Nanopartikeln und NCNO ziemlich offensichtlich; Infolgedessen wird ein Anstieg der Kapazität der CuO/NCNO-Elektrode beobachtet. Die elektrochemische Reaktion, die während des elektrochemischen Prozesses an der CuO/NCNO-Elektrode stattfand, wird wie folgt vorgeschlagen:

(a) CV-Kurven von CuO und CuO/NCNO in Kaliumhydroxid bei einer Scanrate von 50 mV.s, (b) CV-Kurven von CuO bei verschiedenen Scan-Ratten, (c) CV-Kurven von CuO/NCNO bei verschiedenen Scan-Ratten und (d ) I gegen υ1/2.

Zyklische Voltammogramme von CuO- und CuO/NCNO-Elektroden bei unterschiedlichen Abtastraten sind in Abb. 6b, c dargestellt. Diesen Zahlen zufolge steigt der Oxidations- und Reduktionsstrom mit zunehmender Abtastrate allmählich an, was auf ein ideales kapazitives Verhalten dieser Elektrode hinweist. Außerdem bestätigt die Verschiebung der anodischen und kathodischen Peaks in Richtung des positiven bzw. negativen Potentials eine quasi-reversible Reaktion für alle Kurven. Das Diagramm des Stroms über der Quadratwurzel der Scanrate ist auch in Abb. 6d dargestellt. Es besteht eine lineare Beziehung zwischen den Oxidationsspitzenströmen und der Quadratwurzel der Scanrate sowohl für CuO- als auch für CuO/NCNO-Elektroden, was zeigt, dass im Rahmen des diffusionskontrollierten Prozesses eine quasi reversible Reaktion auf der Oberfläche der Elektrode stattgefunden hat. Die Voltammogramme bei verschiedenen Abtastraten zeigen, dass der Faraday-Strom mit zunehmender Abtastrate allmählich zunimmt, was auf das ideale kapazitive Verhalten der Elektroden schließen lässt. Außerdem zeigen alle Cyclovoltammogramme einen quasi-reversiblen Prozess. Wie die Voltammogramme zeigen, verschieben sich anodische Peaks in Richtung positiver Potentiale und kathodische Peaks in Richtung negativer Potentiale, wenn die Abtastrate zunimmt, was das Hauptmerkmal pseudoreversibler Reaktionen ist.

Die spezifischen Kapazitäten von CuO/NCNO- und CuO-Elektroden wurden in einem Drei-Elektroden-System mit Kalilauge als Elektrolyt und Chronopotentiometrie-Methode untersucht (Abb. 7). Die Lade-/Entladekurve wurde im Potentialbereich von -0,2 bis 0,6 V und der Stromdichte von 1, 2, 3 und 4 A/g erhalten. Mit abnehmender Stromdichte wird die Lade-/Entladezeit länger. Abbildung 7 zeigt die Lade- und Entladekurven von CuO- und CuO/NCNO-Elektroden. Die erhaltenen Kapazitäten für CuO bei Stromdichten von 1, 2, 3 und 4 A/g betragen 441,25, 367,5, 221,25 und 155 F/g; Allerdings betragen die Kapazitätswerte für CuO/NCNO-Elektroden bei den genannten Stromdichten 673,75, 572,5, 382,5 bzw. 315 F/g. Bekanntlich nimmt die geschätzte spezifische Kapazität mit zunehmender Stromdichte ab, was darauf hindeutet, dass die Elektrodenmaterialien nur einen geringen Einfluss auf elektrochemische Reaktionen haben.

Lade- und Entladekurven von CuO und CuO/NCNO.

Die EIS-Kurven der genannten Elektroden wurden in einer Kaliumhydroxidlösung erstellt, um den Widerstand und die Leitfähigkeit der Elektroden zu überprüfen. Die Ergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt. Wie die Ergebnisse auch zeigen, ist der Ladungsübertragungswiderstand von CuO/NCNO niedriger als der der CuO-Elektrode, was darauf hindeutet, dass die Elektronenübertragungsrate auf der Oberfläche dieser Elektrode höher ist als die der CuO-Elektrode; Daher sind die Leitfähigkeit und die Kapazität der Elektrode höher. Ein Vergleich der Leistung der kapazitiven Elektroden auf Basis von CuO und CuO/NCNO ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Kapazität in dieser Arbeit ist vergleichbar und aufgrund des synergistischen Effekts von CuO und NCNO sogar besser als bei anderen Elektroden. Die kapazitive CuO/NCNO-Elektrode hat eine größere Oberfläche und mehr aktive Stellen für die Diffusion der Ionen und Faraday-Reaktionen; Daher wird eine bessere elektrische Leitfähigkeit bei einer geeigneteren Ladezeit erreicht.

Nyquist-Diagramme von CuO und CuO/NCNO.

Die größere elektrochemische Aktivität resultiert aus der synergistischen Wirkung des Doppelkomposits, das über eine große Oberfläche mit mehr aktiven Stellen, eine stärkere elektronische Leitfähigkeit für einen schnellen Ladungstransfer und eine verbesserte elektrochemische Leistung der CuO/NCNO-Elektrode verfügt. Darüber hinaus wird berücksichtigt, dass die Zyklenstabilität der Elektrode ein entscheidendes Element für praktische Anwendungen ist.

Das Superkondensatorverhalten eines symmetrischen CuO/NCNO-Elektrodensystems in einer Kaliumhydroxidlösung wurde mit der CV-Methode untersucht. Zyklische Voltammogramme der CuO/NCNO-Elektrode in Abb. 9a zeigen ein Paar von Oxidations-/Reduktionspeaks, die für diese Elektrode auftreten und durch Erhöhung der Abtastrate verschoben werden. Tatsächlich hängt ein quasi-reversibles Verhalten im Potentialbereich von −0,2–0,6 V mit der Oxidations-/Reduktionsreaktion von Kupfer mit einem günstigen Oxidations-/Reduktionsstrom in Gegenwart von NCNO zusammen. Elektrodenkapazität, Leistung und Energiedichte der CuO/NCNO-Elektrode wurden mithilfe der Chronopotentiometrie-Methode untersucht. Die erhaltenen Kapazitäten für die CuO/NCNO-Elektrode bei der Stromdichte von 1, 2, 3 und 4 A/g betragen 1072,5, 1015, 577,5 bzw. 450 F/g (Abb. 9b). Außerdem betragen die maximale Leistung und Energiedichte für diese Elektrode 98 W/kg und 3200 Wh/kg bei einer Stromdichte von 1 bzw. 4 A/g. Das Ragone-Diagramm, Abb. 9c, zeigt, dass aufgrund der entsprechenden Leistungs- und Energiedichte für diese Elektrode ein gutes quasikapazitives Verhalten in Betracht gezogen werden kann. Um die Stabilität der CuO/NCNO-Elektrode zu untersuchen, wurden 3000 aufeinanderfolgende Lade-/Entladezyklen bei einer Stromdichte von 4 A/g aufgezeichnet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kapazitätsänderung der CuO/NCNO-Elektrode im letzten Zyklus im Vergleich zum ersten Zyklus 4 % beträgt, sodass der Schluss gezogen werden kann, dass die kapazitive CuO/NCNO-Elektrode eine akzeptable Stabilität aufweist (Abb. 9d). Außerdem beträgt der Ladungsübertragungswiderstand in der Kaliumhydroxidlösung basierend auf dem Nyquist-Diagramm 3 Ω, was auf die hervorragende Leitfähigkeit dieser Elektrode hinweist (Abb. 10).

(a) CV-Kurven des symmetrischen CuO/NCNO-Systems, (b) Lade- und Entladekurven, (c) Ragone-Diagramm und (d) Stabilitätsdiagramm.

Nyquist-Diagramm von CuO und CuO/NCNO.

Eine Superkondensatorelektrode mit geeigneten Leistungsmerkmalen wurde unter Verwendung von blütenartigem NCNO und CuO hergestellt. Die Leitfähigkeit der blütenartigen CuO-Elektrode wurde aufgrund der großen Oberfläche von CuO verbessert. Dieser Superkondensator bietet außerdem eine spezifische Kapazität von 455 F/g (in einem symmetrischen System bei 4 A/g) und eine gute Stabilität nach 3000 Zyklen. Daher kann die in dieser Arbeit erhaltene Superkondensatorelektrode als Energiespeicher akzeptable Ergebnisse liefern. Die genannte Elektrode wird ohne Zusatzstoffe hergestellt und ist leichter zugänglich als vergleichbare. Dadurch kann es neben den gewünschten Superkondensatoreigenschaften auch als kostengünstige Hochleistungselektrode verwendet werden.

Die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendeten Daten sind auf Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Fachbereich Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Imam Hossein, Teheran, Iran

Esmail Sohouli & Koroush Adib

Abteilung für Biotechnologie, Forschungsinstitut für moderne biologische Techniken (RIMBT), Universität Zanjan, Zanjan, 45371-38791, Iran

Hakimeh Teymourinia und Ali Ramazani

Fachbereich Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Zanjan, Zanjan, 45371-38791, Iran

Hakimeh Teymourinia und Ali Ramazani

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Dr. ES erfasste verschiedene elektrochemische Daten und synthetisierte und charakterisierte CuO und CuO/NCNO. Dr. HT und Dr. AR verbessern die Raman- und XPS-Analyse der englischen Sprache. Dr. KA, der Betreuer des Projekts, stellte alle Einrichtungen zur Verfügung und redigierte außerdem das Manuskript. Untersuchte außerdem die experimentellen Daten und überprüfte und redigierte das Manuskript.

Korrespondenz mit Koroush Adib.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sohouli, E., Teymourinia, H., Ramazani, A. et al. Herstellung einer Hochleistungs-Superkondensator-Elektrode mit blütenartigem Nanokomposit aus CuO/NCNO. Sci Rep 13, 16221 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-43430-1

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Eingegangen: 05. Oktober 2022

Angenommen: 23. September 2023

Veröffentlicht: 27. September 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-43430-1

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