CEJ：用于不对称超级电容器器件的镍锡氧化物/氮掺杂还原氧化石墨烯复合材料的合成

石墨烯网 • 2022年5月21日 18:50 • 科研进展 • 阅读 779

第一作者：Aparna Paul

通讯作者：TapasKuila

通讯地址：印度杜尔加普尔中央机械工程研究所

论文DOI: 10.1016/j.cej.2022.136453

背景介绍

快速发展的工业化和大量人口增长加剧了全球淡水资源短缺和不可避免的环境危机。在这种严峻形势下，探索清洁可再生水源成为近来研究热点。开发一种高效、环保、经济、去除效率高、稳定性好的重金属废水处理技术，解决紧迫的淡水危机意义重大，但仍面临巨大挑战。电容去离子（CDI）被认为是一种高效、低成本、可扩展和环境友好的水处理技术，在重金属去除、有机污染物净化和海水/半咸水淡化领域表现出良好的活性。NiO被认为是有前途的超级电容器电极材料由于其具有理论比电容高、离子迁移路径短、阳离子价数多、缺氧可调节、电极/电解质界面电活性位点多、成本低、热稳定性好等独特性质。尽管有这些优点，但 NiO 纳米颗粒由于其高电阻率而并未广泛用于超级电容器。氧化锡（SnO ₂）纳米颗粒表现出低电阻率以及高热稳定性。因此，NiO-SnO₂复合材料被证明是光催化剂、超级电容器、锂离子电池阳极、气体传感器等领域的潜在材料。在所有碳质材料中，石墨烯因其高导电性、较大的比表面积、独特的平面结构、化学和结构稳定性而备受关注。然而，聚集趋势阻碍了利用石墨烯的优越性能。

据我们所知，目前还没有关于镍锡氧化物/氮掺杂 RGO 复合材料作为超级电容器电极材料的报道。根据以往的报道，由于制备的颗粒具有高结晶度、高纯度和可控的物理和化学特性，水热法是最有用的技术。采用一步简易水热法合成了三种不同Ni/Sn摩尔比的镍-锡氧化物/氮掺杂RGO（NSR）复合材料。优化的 NSR2 复合材料在 3 A g ^-1电流密度下表现出约 1650 F g ^-1的高比电容。由 NSR 2 作为正极和声化学制备的 RGO (SRGO) 作为负极组成的非对称超级电容器 (ASC) 器件在工作电位下的功率密度为 2.026 kW kg ^-1时表现出约 38.41 Wh kg ^-1的高能量密度1.55 V 的窗口，在 15 A g -1电流密度下 10,000 次充放电循环后电容保持率约为 89% 。

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氧化镍 (Ni) 被广泛用作超级电容器电极材料，但尚未详细探讨氧化镍对锡 (Sn) 的研究。在此，通过水热法成功制备了镍锡氧化物/氮掺杂还原氧化石墨烯（NSR）。各种物理化学分析表明，合成材料的形态可以通过改变初始前体中的 Ni:Sn 比来控制。Sn 在调节超级电容器的形貌和电化学性能方面发挥了重要作用。还原氧化石墨烯片上的氮掺杂可能会改善电极材料的电化学性能。结果发现，NSR 2 复合材料（Ni ²⁺ /Sn ²⁺= 1:1）表现出最高的比电容~1650 F g^-1在 3 A g^-1电流密度下。一种不对称超级电容器（ASC）器件，以 NSR 2 为正极，声化学还原氧化石墨烯为负极材料。制造的 ASC 器件在功率密度约为 2.026 kW kg -1时表现出最高的能量密度，约为 38.41 Wh kg -1。当功率密度增加到约 7.342 kW kg -1时，能量密度的保留率为约 79% 。该器件在 10,000 次连续 GCD 循环后表现出约 89% 的电容保持率。两个串联的 ASC 设备能够为 1.8 V 红色 LED 灯供电约 1分钟。