【废锌碳电池回收】ACS SRM：废锌−碳电池制备的珊瑚状NiO@石墨烯复合材料：超级电容器的几何结构和电化学研究

【论文链接】

https://doi.org/10.1021/acssusresmgt.3c00018

【作者单位】

VinUniversity；Vietnam National University

【论文摘要】

提出了一种简单、低成本且环境安全的方法，从废弃锌碳电池中的碳电极制备石墨烯纳米片（GN），该方法采用食盐（也称为天然海盐）作为电解质的电化学剥离过程回收手机充电器的电压低于5 V。

然后创造性地使用 GN 作为二维纳米结构和导电主链的框架，同时使用四水醋酸镍作为收缩和捆绑的前体，以创建石墨烯/NiO（GN/NiO）复合材料的珊瑚花结构一个简单的煅烧过程。珊瑚GN/NiO呈现出美丽的纳米花结构，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）清楚地证实了这一点。此外，珊瑚 GN-NiO 复合材料显示出作为超级电容器电极候选材料的潜力。对于 3 M KOH 电解质中的三电极测量电池，GN-NiO 材料的最大比电容为 140.7 F g⁻¹，高于 0.5 A g⁻¹相同电流密度下 GN 的比电容 (97.5 F g⁻¹)。

此外，采用密度泛函理论（DFT）研究石墨烯/NiO（GN/NiO）结构的珊瑚花结构的结构和电子特性。使用DFT，可以计算结构的电子特性，包括能带结构、态密度、石墨烯和NiO之间的电荷转移以及结构的稳定性。

【实验方法】

石墨烯纳米片(GNS)和珊瑚花石墨烯-NiO(GN-NiO)复合材料的制备：

将无汞和无镉电池的废碳电极放入50毫升乙醇和去离子水的溶液中，超声处理5小时，以去除任何废物。然后用去离子水再次清洗，并在100℃下干燥1h，以获得清洁的碳电极供进一步实验。

将10 g天然海盐溶于90 g去离子水中，得到10%的盐溶液，制成电解液。将两个清洗过的碳电极连接到直流电源作为阴极和阳极。在电解液中，阴极和阳极之间的距离保持在大约2厘米。电化学剥离过程在5V下进行，时间为24小时。反应结束后，黑色溶液超声4h，过滤，乙醇洗涤，去离子水。最后，将黑色浆料在100℃下干燥6h，得到石墨烯纳米片(GNS)。合成GNS的过程如图1所示。

GN-NiO的制备过程如图1所示。首先，将0.2 g GNS加入100毫升乙醇中超声处理4小时，然后将0.2克镍(CH₃COO)₂溶解在100毫升蒸馏水中。然后，将两种混合物混合在一起，在80℃下搅拌，然后将含有0.0016摩尔氢氧化钠的30毫升氢氧化钠缓慢滴入GNS和Ni(CH₃COO)₂的混合物中，在80℃下恒温搅拌24 h，最后过滤并在100℃下干燥得到黑色粉末。然后将黑色粉末在800℃下热处理1h，得到GN-NiO复合材料。

【图文摘取】

【主要结论】

GNS和GN/NiO都表现出优异的电化学性能，可作为超级电容器的电极材料。

当电流密度为0.5 A g⁻¹时，GN/NiO的比电容达到97.5 F g⁻¹，而GN/NiO具有珊瑚结构，在相同的电流密度下，比电容高达140.7 F g⁻¹。对于超级电容器的关键因素–能量密度，GN/NiO表现出高达38.3W h kg⁻¹的高值，而在功率密度为350 W k g⁻¹时，GN仅有26.54W h kg⁻¹。GN/NiO复合材料的高比电容和高能量密度为未来的储能提供了巨大的潜力。通过密度泛函模拟，计算了NiO@石墨烯的几何结构和电子结构，其最佳吸附距离dZ为2.86Å，吸附能为−24.2 meV，为强相互作用。

这一结果进一步证实了NiO@石墨烯在超级电容器中的稳定结构。