『AFM』用于高性能超级电容器和碱性Zn电池的分层花阵列NiCoOOH@CoLa-LDH纳米片

科技   2024-11-02 20:30   江苏  


全文摘要

氢氧化镍基储能材料在很大程度上受到活性位点暴露不足的限制,导致能效低、稳定性差。为了解决这些问题,海南师范大学Ding Zhang&广西民族大学Bing-Xin Lei&广州大学刘兆清教授团队设计了分层花阵列异质结构 NiCoOOH@CoLa-LDH(表示为NC@CL)纳米片,其中NiCo羟基氧化物(NiCoOOH,表示为NC)紧密覆盖在CoLa层状双氢氧化物(CoLa-LDH,表示为CL)纳米片上。这种合理的设计创造了更多的活性位点,扩大了电极-电解质接触面积,提高了电子导电性,并防止了循环充放电过程中的团聚。密度泛函理论计算和微分电荷同时表明,异质结构的形成优化了反应动力学并促进了电子重新分布。得益于NC引起的异质结构和丰富的电活性位点,NC@CL显示出出色的可逆比电容(在1 A g-1时3228 F g-1)。水系可充电碱性Zn电池NC@CL//Zn在0.5 A g-1时具有381.1 mA h g-1的高容量和循环耐久性(在5 A g-1下2000次循环后保持98%的容量)。优异的电化学性能表明NC@CL作为水系储能器件的电极材料具有很大的应用潜力。

图文速递







图1

a)NC@CL纳米片阵列合成过程的示意图。b-d)CL纳米片的扫描电子显微镜(SEM)图像。e-g)纳米片NC@CL分层花状阵列的SEM图像。







图2

NC@CL纳米片的a)TEM,b)EDS和c-e)HRTEM图像;(c)的插图是(c)中黄色虚线框中相应的选定区域电子衍射(SAED)图样。f,g)从HRTEM图像的晶体间距测量的强度分布。







图3

a)NC@CL纳米片、CL和单个NC样品的XRD图谱。NC@CL异质结构的b)Co 2p和c)Ni 2p、d)La 3d和e)O 1s的高分辨率XPS光谱。f)异质结构NC@CL电子定位函数。







图4

在2 mol L-1 KOH水溶液中对NC@CL、CL和NC电极进行电化学测量。a)5 mV s-1时的CV曲线。b)1 A g-1时NC@CL//NC@CL、NC//NC和CL//CL的GCD曲线。c)NC@CL//NC@CL对称超级电容器在不同电流密度下的GCD曲线。d)比电容与扫描速率的关系。e)NC@CL电极在不同扫描速率下的CV曲线。f)NC@CL的峰值电流与扫描速率。g)不同扫描速率下的电容贡献NC@CL比。h)2 mV s-1时的扩散控制和电容贡献。i)三个样本的EIS奈奎斯特图。







图5

a)非对称超级电容器的电化学测量。NC@CL和AC电极在5 mV s-1时的CV曲线,基于三电极系统。b)NC@CL//AC ASC在不同电流密度下的CV曲线。c)0.2至20 A g-1不同电流密度下NC@CL//AC设备的GCD曲线。d)从不同电流密度获得的比电容。e)NC@CL//AC的Ragon图(插入照片是红色和蓝色LED由两个串联的ASC设备点亮数小时)。f)三种器件在1 A g-1下的循环特性。







图6

水系Zn电池的电化学测量。a)5 mV s-1时NC@CL//Zn、NC//Zn和CL//Zn的CV曲线比较。b)NC@CL//Zn、NC//Zn和CL//Zn电池在0.5 A g-1下的GCD曲线。c)NC@CL//Zn在不同电流密度下的CV曲线。d)NC@CL//Zn电池在不同电流密度下的GCD曲线。e)三种电池在0.5至10 A g-1的不同电流密度下的额定性能。f)5 A g-1下2000次循环的长时循环性能。g)组装好的NC@CL//Zn电池点亮的LED的照片图像。







图7

a,b)Co(OH)2、CL、NC和NC@CL的状态分密度。c,d)NC@CL的差分电荷密度。e)OH-吸附的计算模型及相应的吸附能在NC@CL的不同位置。


研究结论

总之,本文提出了一种简单的策略来制造成功表现出卓越电荷存储性能的NC@CL异质结构。分层花状NC@CL阵列具有高BET表面积,提供了有利于氧化还原反应的丰富活性位点。镧对八面体位点的部分调制,以及异质结的微观应力,在NC和CL晶体结构中引入了变形。这通过微调电子和离子转移的传输途径和速率来增强电化学性质,最终加速NC@CL的电荷转移过程。此外,NC和CL之间的界面相互作用会产生许多活性位点,增强电荷转移,从而提高NC@CL的储能性能。这项工作为活性位点和反应物之间的相互作用以及界面效应在电荷存储反应机制中的作用提供了新的见解。

文献信息

Hierarchical Flower Array NiCoOOH@CoLa-LDH Nanosheets for High-Performance Supercapacitor and Alkaline Zn Battery

Ding Zhang*,Ying-jie Hua,Xiao-man Fu,Chun-yu Cheng,De-meng Kong,Mei-ling Zhang,Bing-Xin Lei*,Zhao-Qing Liu*
https://doi.org/10.1002/adfm.202414686


文章来源:水系能源

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