سنتز کامپوزیت نیکل کبالت و اکسید گرافن احیا شده برای استفاده به‌عنوان ماده الکترودی با عملکرد ابرخازنی زیاد
الموضوعات :
1 - افسریه قصرفیروزه ۲ بلوک۴ طبقه ۴ واحد۳
الکلمات المفتاحية: خازنهای الکتروشیمیایی , صفحات یکنواخت, سونوشیمی, اکسید گرافن احیا شده,
ملخص المقالة :
خازنهای الکتروشیمیایی به دلیل داشتن دانسیته توان بالا، سیکلپذیری زیاد و دانسیته انرژی مطلوب در سالهای اخیر برای استفاده در سیستمهای ذخیره و انتقال انرژی مورد توجه قرار گرفتهاند. اکسیدهای فلزی دوتایی به دلیل داشتن خواص مورفولوژیکی مطلوب و عملکرد ابرخازنی بهتر، مورد توجه محققان قرار برای ساخت الکترود قرار گرفتهاند. استفاده از ماده الکترودی ارزان قیمت و در دسترس کلید توسعه ابرخازن در مقیاسهای صنعتی و تجاری است. اکسیدهای نیکل، کبالت به همراه اکسید گرافن احیا شده یافته علاوه بر اینکه ارزان و در دسترس هستند، دارای ظرفیت ویژه تئوری بالایی هستند. استفاده از این دو در کنار هم میتواند باعث دستیابی به یک مورفولوژی با سایتهای فعال الکتروشیمیایی زیاد شود ترکیب ابرخازنهای اکسیدی با نانو ترکیبات کربنی تأثیر زیادی در خواص الکتروشیمیایی آن خواهد داشت. در این پژوهش ماده الکترودی (NiCo2O4/NiO/RGO) با استفاده از روش سونوشیمی سنتز شد سپس با الکترود RGO از نظر عملکرد ابرخازنی مورد مقایسه قرار گرفتند. سنتز نانوذرات با نسبت 1 به 5 از نانوذره و گرافن اکساید مخلوط شدند. گستره اندازه نانوذرات در این نانوکامپوزیت از 30 تا 60 نانو است. آزمون‌های مشخصهیابی XRD، FT-IR و SEM جهت تعیین خواص کریستالوگرافیکی و مورفولوژیکی مورد استفاده قرار گرفتند. اندازه نانو ذرات آزمون‌های مشخصهیابی نشان دادند که ماده الکترودی NiCo2O4/NiO/RGO با مورفولوژی یکنواخت به دست آمدند. آزمون‌های الکتروشیمیایی CV، GCD و EIS برای دو الکترود NiCo2O4/NiO/RGO و RGO انجام شد. نتایج نشان داد که افزودن NiCo2O4/NiO به RGO باعث عملکرد عالی ابرخازنی با ظرفیت ویژه خازنی F/g 400 در دانسیته جریان A/g 1 است. این عملکرد مربوط به اثر همافزایی اکسیدهای نیکل کبالت با RGO میباشد که تخلخل و سایتهای فعال لازم جهت انجام واکنش انتقال بار را فراهم میکنند.
[1] N. Bose, V.Sundararajan, T. Prasankumar & S. P. Jose, "α–MnO2 coated anion intercalated carbon nanowires: A high rate capability electrode material for supercapacitors", Materials Letters, vol. 278, p. 128457, 2020.
[2] J. Yan, T. Wei, W. Qiao, B. Shao, Q. Zhao, L. Zhang & Zh. Fan, "Rapid microwave-assisted synthesis of graphene nanosheet/Co3O4 composite for supercapacitors", Electrochimica Acta, vol. 55, no. 23, pp. 6973-6978, 2010.
[3] W. Tong, Y. Wang, Y. Bian, A. Wang, N. Han & Y. Chen, "Sensitive cross-linked SnO2: NiO networks for MEMS compatible ethanol gas sensors", Nanoscale Research Letters, vol. 15, no. 1, pp. 1-12, 2020.
[4] R. Kumar, P. Rai & A. Sharma, "3D urchin-shaped Ni3 (VO4)2 hollow nanospheres for high-performance asymmetric supercapacitor applications," Journal of Materials Chemistry A, vol. 4, no. 25, pp. 9822-9831, 2016.
[5] M. Isacfranklin, R. Yuvakkumar, G. Ravi, M. Pannipara, A. G. Al-Sehemi & D. Velauthapillai, CuCoO2 electrodes for supercapacitor applications. Materials Letters, vol. 296, p. 129930, 2021.
[6] M. Jayachandran, S. K. Babu, T. Maiyalagan & N. Rajadurai, "Activated carbon derived from bamboo-leaf with effect of various aqueous electrolytes as electrode material for supercapacitor applications", Materials letters, vol. 301, p. 130335, 2021.
[7] D. P. Dubal & P. Gomez-Romero, "Metal oxides in supercapacitors", 2017, Elsevier.
[8] A. Muzaffar, M. Basheer Ahamed, K. Deshmukh & J. Thirumalai, "A review on recent advances in hybrid supercapacitors: Design, fabrication and applications", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 101. pp. 123-145, 2019.
[9] Y. Y. Huang & L. Y. Lin, "Synthesis of ternary metal oxides for battery-supercapacitor hybrid devices: influences of metal species on redox reaction and electrical conductivity", ACS Applied Energy Materials, vol. 1, no. 6, pp. 2979-2990, 2018.
[10] M. AmirZade, "Synthesis of Mn2V2O7 hollow microsphere as a high performance electrode material for supercapacitors," Iranian Journal of Ceramic Science & Engineering, vol. 11, no. 4, pp. 35-45, 2023.
[11] G. K. Veerasubramani, A. Chandrasekhar, M. S. P. Sudhakaran & Y. S. Muk, "Liquid electrolyte mediated flexible pouch-type hybrid supercapacitor based on binderless core–shell nanostructures assembled with honeycomb-like porous carbon", Journal of Materials Chemistry A, vol. 5, no. 22, pp. 11100-11113, 2017.
[12] G. Nagaraju, S. Ch. Sekhar, G. S. R. Raju, L. K. Bharat & J. S. Yu, "Designed construction of yolk–shell structured trimanganese tetraoxide nanospheres via polar solvent-assisted etching and biomass-derived activated porous carbon materials for high-performance asymmetric supercapacitors", Journal of Materials Chemistry A, vol. 5, no. 30, pp. 15808-15821, 2017.
[13] Wang, F., Sh. Xiao, Y. Hou, Ch. Hu, L. Liua & Y. Wu, "Electrode materials for aqueous asymmetric supercapacitors", Rsc Advances, vol. 3, no. 32, pp. 13059-13084, 2013.
[14] X. Zhao, Q. Liu, Q. Li, L. Chen, L. Mao, H. Wang & Sh. Chen, "Two-dimensional electrocatalysts for alcohol oxidation: A critical review", Chemical Engineering Journal, vol. 400, p. 125744, 2020.
[15] A. González, E. Goikolea, J. Andoni Barrena, R. Mysyk, "Review on supercapacitors: Technologies and materials", Renewable and sustainable energy reviews, vol. 58, pp. 1189-1206, 2016.
[16] S. Sharifi, Sh. Behzadi, S. Laurent, M. L. Forrest, P. Stroevee & M. Mahmoudi, "Toxicity of nanomaterials", Chemical Society Reviews, vol. 41, no. 6, pp. 2323-2343, 2012.
[17] V. S. Kumbhar, A. D. Jagadale, N. M. Shinde & C.D. Lokhande, "Chemical synthesis of spinel cobalt ferrite (CoFe2O4) nano-flakes for supercapacitor application", Applied Surface Science, vol. 259, pp. 39-43, 2012.
[18] G. Rothenberger, J. Moser, M. Graetzel, N. Serpone & D. K. Sharma, "Charge carrier trapping and recombination dynamics in small semiconductor particles", Journal of the American Chemical Society, vol. 107, no. 26, pp. 8054-8059, 1985.
[19] س. ع. حسینی مرادی، م. امیرزاده و ن. قبادی، "ساخت الکترودهای ابرخازنیِ نیکل منگنز اکسید (NiMnO3) نانوصفحه‌ای با استفاده از روش سنتز هیدروترمال"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 17، شماره 2، پیاپی 65، صفحه 25-33، 1402.
[20] Y. Sun, X. Du, J. Zhang, N. Huang, L. Yang & X. Sun"Microwave-assisted preparation and improvement mechanism of carbon nanotube@ NiMn2O4 core-shell nanocomposite for high performance asymmetric supercapacitors", Journal of Power Sources, vol. 473, p. 228609, 2020.
[21] M. Jing, Ch. Wang, H. Hou, Zh. Wu, Y. Zhu, Y. Yang, X. Jia, Y. Zhang & X. Ji, "Ultrafine nickel oxide quantum dots enbedded with few-layer exfoliative graphene for an asymmetric supercapacitor: Enhanced capacitances by alternating voltage", Journal of Power Sources, vol. 298, pp. 241-248, 2015.
[22] A. Laforgue, P. Simon, J. F. Fauvarque, J. F. Sarrau & P. Lailler, "Hybrid supercapacitors based on activated carbons and conducting polymers", Journal of the Electrochemical Society, vol. 148, no. 10, p. A1130, 2001.
[23] X. Zhang, B. Shao, A. Guo & Z. Gao, "Improved electrochemical performance of CoOx-NiO/Ti3C2Tx MXene nanocomposites by atomic layer deposition towards high capacitance supercapacitors", Journal of Alloys and Compounds, vol. 862, p. 158546, 2021.
[24] W. Ren, D. Guo, M. Zhuo, B. Guan, D. Zhangc & Q. Li, "NiMoO4@Co(OH)2 core/shell structure nanowire arrays supported on Ni foam for high-performance supercapacitors", RSC Advances, vol. 5, no. 28, pp. 21881-21887, 2015.
فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هجدهم – شماره سوم – پاییز 1403 (شماره پیاپی 70)، صص. 39-47 | ||
| فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir |
|
سنتز کامپوزیت نیکل کبالت و اکسید گرافن احیا شده برای استفاده به‌عنوان ماده الکترودی با عملکرد ابرخازنی زیاد
مقاله پژوهشی |
1- دانشکده علوم پایه، گروه فیزیک، عضو هیئت‌علمی دانشگاه پدافند هوایی خاتم‌الانبیاء (ص) ایران.
* physicphotonic@yahoo.com
اطلاعات مقاله |
| چکیده |
دریافت: 01/05/1402 پذیرش: 12/09/1402 | خازنهای الکتروشیمیایی به دلیل داشتن دانسیته توان بالا، سیکلپذیری زیاد و دانسیته انرژی مطلوب در سالهای اخیر برای استفاده در سیستمهای ذخیره و انتقال انرژی مورد توجه قرار گرفتهاند. اکسیدهای فلزی دوتایی به دلیل داشتن خواص مورفولوژیکی مطلوب و عملکرد ابرخازنی بهتر، مورد توجه محققان قرار برای ساخت الکترود قرار گرفتهاند. استفاده از ماده الکترودی ارزان قیمت و در دسترس کلید توسعه ابرخازن در مقیاسهای صنعتی و تجاری است. اکسیدهای نیکل، کبالت به همراه اکسید گرافن احیا شده یافته علاوه بر اینکه ارزان و در دسترس هستند، دارای ظرفیت ویژه تئوری بالایی هستند. استفاده از این دو در کنار هم میتواند باعث دستیابی به یک مورفولوژی با سایتهای فعال الکتروشیمیایی زیاد شود ترکیب ابرخازنهای اکسیدی با نانو ترکیبات کربنی تأثیر زیادی در خواص الکتروشیمیایی آن خواهد داشت. در این پژوهش ماده الکترودی (NiCo2O4/NiO/RGO) با استفاده از روش سونوشیمی سنتز شد سپس با الکترود RGO از نظر عملکرد ابرخازنی مورد مقایسه قرار گرفتند. سنتز نانوذرات با نسبت 1 به 5 از نانوذره و گرافن اکساید مخلوط شدند. گستره اندازه نانوذرات در این نانوکامپوزیت از 30 تا 60 نانو است. آزمون‌های مشخصهیابی XRD، FT-IR و SEM جهت تعیین خواص کریستالوگرافیکی و مورفولوژیکی مورد استفاده قرار گرفتند. اندازه نانو ذرات آزمون‌های مشخصهیابی نشان دادند که ماده الکترودی NiCo2O4/NiO/RGO با مورفولوژی یکنواخت به دست آمدند. آزمون‌های الکتروشیمیایی CV، GCD و EIS برای دو الکترود NiCo2O4/NiO/RGO و RGO انجام شد. نتایج نشان داد که افزودن NiCo2O4/NiO به RGO باعث عملکرد عالی ابرخازنی با ظرفیت ویژه خازنی F/g 400 در دانسیته جریان A/g 1 است. این عملکرد مربوط به اثر همافزایی اکسیدهای نیکل کبالت با RGO میباشد که تخلخل و سایتهای فعال لازم جهت انجام واکنش انتقال بار را فراهم میکنند. | |
کلید واژگان: خازنهای الکتروشیمیایی صفحات یکنواخت سونوشیمی اکسید گرافن احیا شده. |
|
Synthesis of Nickel Cobalt and Reduced Graphene Oxide Composite for Use as an Electrode Material with High Supercapacitor Performance
Seyed Ali Hosseini Moradi *1
1- Department of Physics, faculty member of Khatam al-Anbia Air Defense University (PBUH) of Iran.
* physicphotonic@yahoo.com
Abstract |
| Article Information |
The use of environmentally friendly energy storage systems is known as the best solution to reduce the bad effect of fossil fuels. Supercapacitors have received more attention than other energy storage devices (batteries and fuel cells) due to their high power density, high cycling stability and optimal energy density. The use of inexpensive and available electrode material is the key to the development of supercapacitors in industrial and commercial scales. Using these two together can achieve a morphology with many electrochemically active sites, the combination of oxide supercapacitors with carbon nanocompounds will have a great effect on its electrochemical properties In addition to being cheap and readily available, nickel and cobalt oxides with reduced graphene oxide have a high theoretical specific capacity. In this study electrode material nickel oxide graphene, cobalt oxide (NiCo2O4/NiO/RGO) electrode was synthesized using Sonochemistry method. After synthesis, nanoparticles were mixed with 1:5 ratio of nanoparticles and graphene oxide. The size range of nanoparticles in this nanocomposite is from 30 to 60 nanometers Then, the characterization tests of XRD, FT-IR and SEM were used to determine the crystallographic and morphological properties. Characterization analyses showed that the electrode material of (NiCo2O4/NiO/RGO) was obtained with a hollow microbial morphology. Electrochemical tests of CV, GCD and EIS showed that the (NiCo2O4/NiO/RGO) electrode had excellent supercapacitive performance with a specific capacitance of 400 F/g at a current density of 1 A/g. This performance is related to the synergistic effect of nickel cobalt oxides with RGO, which provide the porosity and active sites necessary to carry out the charge transfer reaction. | Original Research Paper Doi: | |
| Keywords: Electrochemical Capacitors Uniform Plates Sonochemistry Reduced Graphene Oxide |
1- مقدمه
به‌منظور برطرفسازی نیازهای مربوط به تأمین و ذخیره انرژی، سیستمهای ذخیرهسازی انرژی مانند باتری، خازنهای الکتروشیمیایی (ابرخازنها) و سلهای سوختی در چند دهه اخیر مورد توجه محققان قرار گرفتهاند [1-3] جهت دستیابی به یک سیستم ذخیرهسازی انرژی مطلوب، این سیستم باید دارای مشخصههـایی مانند بـالا بـودن دانسیته تـوان و انرژی، بهصرفه بودن از لحاظ اقتصادی و سازگاری با محیط‌زیست باشد [4]. معایب مربوط به باتریها و سلهای سوختی مانع از استفاده آنها در شبکههای ذخیرهسازی انرژی بزرگ با کاربرد صنعتی میشود [5]. معایب اصلی این سیستمها عبارتاند از دانسیته تـوان پایین، سیکلپـذیری کم و پایین بودن نرخ ذخیرهسازی انرژی. در مقابل، ابرخازنها با توجه به مزایای قابل‌توجه از جمله دانسیته توان بالا، نرخ بالای ذخیره بار، سیکلپذیری بالا و دانسیته انرژی مطلوب، بسیار مورد توجه محققان قرار گرفتهاند[6]. ابرخازنها بخصوص دارای دانسیته توان بیشتر از باتریها و دانسیته انرژی بیشتر از خازنها هستند، به همین دلیل میتوان آنها را پلی بین باتریها و خازنها دانست. با توجه به مکانیزم فرآیند ذخیره بار در ابرخازنها، میتوان آنها را به دو دسته خازنهای لایه مضاعف الکتریکی1 (EDLCs) و شبه خازنها2 تقسیم کرد [7]. در خازنهای لایه مضاعف الکتریکی ذخیره بار از طریق ایجاد جاذبه الکترواستاتیکی بین یونهای موجود در الکترولیت و سطح الکترود انجام میشود[8]. در شبهخازنها نیز ذخیره بار از طریق واکنشهای اکسایش- احیا (ردوکس3) در سطح مشترک الکترولیت و الکترود انجام میشود[9]. مواد کربنی مانند کربن فعال، گرافن، نانولوله کربنی و غیره به دلیل داشتن سطح ویژه زیاد، پـایداری حرارتی زیـاد و هدایت الکتریکی بالا در خازنهای لایه مضاعف الکتریکی مورد استفاده قرار میگیرند. مواد اکسید فلزی و پلیمرهای رسانا نیز به دلیل داشتن سرعت بالای واکنشهای ردوکس سطحی در شبهحازنها استفاده میشوند. بنابراین عملکرد ابرخازنها تا حد خیلی زیادی به ماده الکترودی بستگی دارد [10-11]. علاوه بر اهمیت ماده الکترودی در عملکرد ابرخازنها، خواص مورفولوژیکی این ماده نیز از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. به همین دلیل تاکنون انواع مختلف مواد الکترودی ترکیبی میکرو/ نـانو ساختار اکسید فلزی، اکسید فلزی دوتایی و هیـدروکسید فلزی بـه شکلهای مختلف نانوذره، نانو صفحه، نانو کره و غیره سنتز گردیده و به‌عنوان ماده الکترودی در ابرخازنها مورد استفاده قرار گرفتهاند [12]. به‌منظور دستیابی به بهترین عملکرد ابرخازنی با بیشترین ظرفیت ویژه و نرخ ذخیره بار، ساختارهای ترکیبی سه بعدی با حفرات سلسلهمراتبی مورد توجه زیاد محققان قرار گرفتهاند. استفاده از این ماده الکترودی ترکیبی باعث به وجود آمدن ساختاری با سطح ویژه بالا میشود که نـه‌تنها تماس بیـن الکتـرود و یـونهای الکترولیـت را بیشتر میکند، بلکه باعث تشدید واکنشهای ردوکس الکتروشیمیایی میشود [13]. با این حال، اکسیدهای فلزی متخلخل دارای توزیع اندازه متخلخل گسترده، حجم متخلخل کوچک و سطح غیر ایدهآل هستند. علاوه بر این، فرآیندهای آزمایش به دلیل سانتریفیوژ بیشتر و خالص‌سازی پودر اکسیدهای فلزی پیچیده هستند [14]. در میان مواد مختلف الکترواکتیو که تاکنون گزارش شده است، اکسید نیکل (NiO) یک ماده PC معمولی است که به دلیل ظرفیت نظری قوی، برگشتپذیری عالی، مورفولوژی به‌خوبی حفظ شده و جذاب، اندازه منافذ مناسب، منطقه ویژه بزرگ و قابلیت اطمینان عالی است [15]. اخیراً، MnO2، Co3O4 وNiO به‌عنوان کاندیدای ابرخازنهای با کارایی بالا به دلیل ظرفیت تئوری بالا و هزینه کم به‌طور گسترده گزارش شده است [16]. 
به‌عنوان یک ماده فعال در ابرخازنها به دلیل رفتار نرخ پایین‌تر، پایداری چرخهای ضعیف و فعالیت الکتروشیمیایی پایین‌تر محدود شده است [17-18]. علاوه بر این، برخی از اکسیدهای ردوکس دو فلزی، مانند NiCo2O4، ZnCo2O4، NiMoO4 و CoMoO4 به دلیل حالت‌های اکسیداسیون متعددشان برای واکنشهای فارادایی برگشت‌پذیر و همچنین هدایت الکتریکی برجسته مطلوب بوده‌اند. در میان این اکسیدهای دو فلزی، اسپینل NiCo2O4 به‌عنوان امیدوارکننده‌ترین ماده الکترود ردوکس پیشنهاد میشود و به دلیل رسانایی الکترونیکی عالی، هزینه کم، سازگاری با محیط‌زیست و مورفولوژی‌های به راحتی قابل‌کنترل آن، به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است [16]. در این پژوهش ماده الکترودی ترکیبی منگنز وانادات (NiCo2O4/NiO/RGO) به‌عنوان یک ماده اکسید فلزی دوتایی با ساختار تخت به‌وسیله روش سونوشیمی سنتز شده است. این ماده دارای ساختار صفحهای با منافذ توخالی است که فضای قابل‌توجهی را برای حضور یونهای الکترولیت فراهم کرده و باعث تسریع واکنشهای انتقال بار میشود. اثر همافزایی بین اکسیدهای نیکل و کبالت به همراه گرافن اکساید کاهش‌یافته در نهایت الکترودی با ظرفیت ویژه خازنی زیاد (F/g 400 در دانسیته جریان A/g 1) و هدایت الکتریکی بالا (با مقاومت انتقال بار Ω 4/32) را ایجاد کرد.
2- مواد و روشها
2-1- مواد
در این پژوهش مقایسه بین الکترود RGO و NiCo2O4/NiO/RGO صورت پذیرفت. ابتدا خواص ابرخازنی الکترود RGO بررسی شد و بعد از ساخت NiCo2O4/NiO و قرار گرفتن روی صفحات RGO تأثیر این نانو مواد در خواص ابرخازنی بررسی شد. برای ساخت نانوکامپوزیت‌های NiCo2O4/NiO از سنتز سبز با رویکرد سازگار با محیط‌زیست، ابتدا 4 میلی مول فروکتوز (کربوهیدرات) رقیق شده در محلول آبی و سپس محلولی شامل 1 میلی مول نیترات نیکل و همچنین 1 میلی مول نیترات کبالت (II) استفاده شد. مخلوط به مدت 15 دقیقه در حدود 80 درجه سانتی‌گراد هم زده شد. با حرارت دادن و تبخیر حلال، رسوب پفکی تولید شد. نانوکامپوزیت اکسید دو فلزی از طریق کلسینه کردن رسوب پف کرده در دمای 
600 به مدت 3 ساعت تهیه شد. تأثیر معرف‌های سبز بر مورفولوژی و اندازه نانوذرات و همچنین نسبت معرف‌ها مورد بررسی قرار گرفت.
2-2- ساخت الکترود NiCo2O4/NiO/RGO
برای ساخت الکترود، ابتدا مقدار مشخصی از اتصالدهندهی پلیمیری PVDF در حلال DMF در دمای 50 در مدت‌زمان 2 ساعت از طریق اختلاط همزن حل شد. سپس مقادیر مشخصی از ذرات NiCo2O4/NiO و اکسید گرافن احیا شده4 (RGO) به‌منظور بهبود هدایت الکتریکی الکترود، اضافه شدند و به مدت 1 ساعت تحت اختلاط همزن قرار گرفتند. در مرحله بعد محلول به مدت 40 دقیقه در یک حمام اولتراسونیک قرار گرفت تا ذرات به‌خوبی در حلال DMF توزیع شوند. پس از دستیابی به یک دوغاب همگن، لایه نشانی ماده الکترودی روی زیر لایه گرافیت به روش لایه نشانی قطرهای5 انجام شد. پس از این مرحله، الکترود به مدت 8 ساعت در دمای 90 قرار داده شد تا الکترود به‌خوبی خشک شده و حلال تبخیر گردد. پس از خشک شدن، متوسط وزن لایه نشانی برابر با mg/cm23 بود. درصد وزنی اجزای تشکیلدهندهی ماده الکترودی شامل NiCo2O4/NiO، RGO و PVDF در جدول (1) آورده شده است.
جدول (1): درصد وزنی اجزای تشکیلدهندهی ماده الکترودی.
مواد | NiCo2O4/NiO | PVDF | RGO |
درصد وزنی (wt.%) | 85 | 10 | 5 |
2-3- آزمون‌ها
مشخصهیابی نمونه NiCo2O4/NiO/RGO از طریق آزمون‌های پراش اشعه ایکس (XRD)، طیفسنجی مادون‌قرمز (FT-IR) و میکروسکوپ الکترون روبشی (SEM) انجام شد. آزمون‌های الکتروشیمیایی این نمونه با استفاده از یک دستگاه پتانسیومتری PGSTAT204 در یک سل سه الکترودی انجام شد. از الکترود Ag/AgCl به‌عنوان الکترود مرجع، الکترود پلاتین به‌عنوان الکترود کمکی و الکترود NiCo2O4/NiO/RGO به‌عنوان الکترود کار استفاده شد. از محلول 2 مولار پتاسیم هیدروکسید (KOH) به‌عنوان الکترولیت استفاده گردید. آنالیز ولتامتری چرخهای (CV) در پتانسیلهای روبش 5، 10، 20، 50 و mV/s100 در بازه پتانسیل 0 تا V5/ 0 انجام شد. آنالیز شارژ-دشارژ جریان (GCD) ثابت در دانسیته جریانهای 1، 2، 5، 10 و A/g 20 در بازه پتانسیل 0 تا V5/ 0 انجام شدند. آزمون امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) نیز در بازهی فرکانسی 01/0 تا Hz10000 گرفته شد. برای اندازهگیری ظرفیت ویژه خازنی (C) از نتایج آزمون GCD در دانسیتههای جریان مختلف استفاده شد و این مقادیر از طریق معادله 1 به دست آمدند [17]:
معادله 1 |
|
|
شکل (1): الف) نتایج حاصل از آنالیز XRD نمونه NiCo2O4/NiO/RGO و ب) نتایج حاصل از آنالیز FT-IR نمونه NiCo2O4/NiO/RGO.
جهت به نمایش درآوردن ساختار ماده و همچنین با توجه به اینکه خواص مورفولوژیکی ماده سنتز شده اهمیت بسیار زیادی بر عملکرد الکتروشیمیایی ابرخازن دارد، آنالیز SEM از نمونه NiCo2O4/NiO/RGO گرفته شد. شکلهای 2 (الف) و 2 (ب) بـه ترتیب نتایج حاصل از تصاویر SEM را در بزرگنماییهای 10 وµm1 نشان میدهند. با دقت در تصویر a به راحتی میتوان دو فاز NiCo2O4/NiO و GO را از یکدیگر تشخیص داد. میانگین اندازه ذرات در این نانوکامپوزیت 8/80 نانومتر است همان‌طور که در تصاویر مشخص است ذرات RGO دارای ساختار صفحهای که نانو کامپوزیت و NiCo2O4/NiO روی آن نشسته است. این ساختار ازآنجایی‌که فضای مناسبی را برای ورود خروج یونهای الکترولیت ایجاد میکند، میتواند باعث بهبود عملکرد الکتروشیمیایی ابرخازن شود.
شکل (2): نتایج حاصل از آنالیز SEM نمونه NiCo2O4/NiO/RGO در بزرگنماییهای (الف) µm10 و (ب) µm1.
شکل 3 (الف) نتایج حاصل از آنالیز CV را برای نمونه NiCo2O4/NiO/RGO و RGO در پتانسیلهای روبش مختلف برحسب mV/s در محلول M KOH2 نشان میدهد. در این نمودار محور عمودی دانسیته جریان و محور افقی پتانسیل اعمالی بر الکترود کار نسبت به الکترود مرجع (Ag/AgCl) را نشان میدهنـد. قابل‌مشاهده است که این نمونه در تمام پتانسیلهای روبشی رفتار فارادی شامل پیکهای مربوط به جفت واکنش ردوکس (اکسیداسیون و احیاء) را از خود نشان میدهد. این پیکهـا مربوط به انجام واکنشهای فارادی گونههای مختلف یونهای فلزی نیکل و کبالت با یون هیدروکسیل (OH) هستند؛ بنابراین نتایج به‌دست‌آمده از این آنالیز بیانگر رفتار فارادی الکترود NiCo2O4/NiO/RGO است. قابل‌مشاهده است که هم‌زمان با افزایش پتانسیل رویشی، هم‌زمان با افزایش دانسیته جریان، جایگاه پیکهای اکسایش-کاهش تغییر چندانی نکرده که نشاندهندهی برگشتپذیری مناسب این الکترود است [19].
شکل (3): a) نمودار ولتامتری الکترود ساخته شده به‌وسیله نانوکامپوزیت NiCo2O4/NiO/GO، b) نمودار ولتامتری الکترود ساخته شده به‌وسیله GO و c) مقایسه ولتامتری چرخهای نانوکامپوزیت NiCo2O4/NiO/RGO و GO.
نتایج به‌دست‌آمده از آنالیز GCD برای نمونههای NiCo2O4/NiO/RGO و RGO در دانسیتههای جریان مختلف 1،5 و A/g10 در شکل 4 (ب) آورده شده است. این آنالیز زمان شارژ و دشارژ الکترود NiCo2O4/NiO/RGO و RGO را در جریان ثابت نشان میدهد.
این الکترود رفتار غیرخطی را نشان میدهد که همراستا با نتایج به‌دست‌آمده از آنالیز CV بیانگر رفتار فارادی این الکترود است.
همان‌طور که در شکل 4 (ب) مشخص است، تمامی نمودارهای GCD در همهی دانسیتههای جریان دارای تقارن نسبی هستند که بیانگر برگشتپذیری و بازدهی کولمبی6 خوب این الکترود است. از این آنالیز جهت محاسبه ظرفیت ویژه خازنی استفاده میشود [20].
شکل (4): a) نمودار شارژ- دشارژ الکترود ساخته شده به‌وسیله نانوکامپوزیت NiCo2O4/NiO/GO، b) نمودار شارژ-دشارژ الکترود ساخته شده به‌وسیله GO و c) مقایسه نمودار شارژ-دشارژ نانوکامپوزیت NiCo2O4/NiO/GO و GO در نرخ سرعت اسکن 1 A/g.
ظرفیت ویژه خازنی با استفاده از معادله 1 محاسبه شد و نتایج حاصل از آن در شکل 5 (الف) گزارش شد. الکترود NiCo2O4/NiO/RGO ظرفیتهای ویژه خازنی زیاد 401، 372، 343، 296 و F/g 255 را به ترتیب در دانسیتههای جریان مختلف برحسب A/g نشان میدهد. ظرفیت ویژه خازنی زیاد این الکترود میتواند مربوط به این دلایل باشد: (1) ساختار تخت پوشش الکترود NiCo2O4/NiO/RGO که با ایجاد خلل و فرج سایتهای فعال جهت حضور یونهای الکترولیت را برای انجام واکنشهای انتقال و ذخیره بار را فراهم میکند، این سایتهای فعال، همانند کانالهایی هستند که ورود-خروج یونهای الکترولیت را تسهیل میبخشند (2) ظرفیت ویژه تئوری بالای هر دو ماده اکسید کبالت و اکسید نیکل که با ایجاد اثر همافزایی بین در کنار RGO (با ساختاری جدید) باعث دستیابی به عملکرد الکتروشیمیایی مطلوب میشود. رأی دستیابی به نتایج حاصل از دیگر خواص الکتروشیمیایی الکترود NiCo2O4/NiO/RGO، شامل مقاومتهای مختلف در سیستم و رفتار خازنی، آنالیز EIS انجام شد. شکل 4 (ب) نتیجه حاصل از آزمون EIS را در محلول M KOH2 با پتانسیل مدار باز7 (OCP) برابر با mV50 نشان میدهد. برای درک بهتر نتایج حاصل از این آزمون، نمودار حاصل از EIS را میتوان به سه قسمت تقسیم کرد. (1) بخش فرکانس بالا که در واقع محل برخورد نمودار با محور افقی (مقاومت حقیقی Zreal) است که نشاندهنده مجموع مقاومتهای موجود در الکترولیت، مقاومت ماده الکترودی و مقاومت موجود بین صفحه جمعکننده بار و ماده الکترودی است که آن را با Rs نمایش میدهند. (2) بخش دایرهای نمودار که قطر آن بیانگر مقاومت انتقال بار8 (Rct) در سطح مشترک الکترولیت و الکترود است. (3) بخش فرکانس پایین یا بخش خطی نمودار که نشاندهنده فرآیند انتقال جرم و مقاومت ناشی از نفوذ یون است. هر چه قطر قسمت دایرهای نمودار کوچکتر باشد، مقاومت انتقال بار کمتر و فرآیند انتقال بار با سهولت بیشتری انجام میشود. این الکترود دارای مقاومت انتقال بار کم Ω 4/32 میباشد. این نتیجه بیانگر این است که الکترود NiCo2O4/NiO/RGO دارای هدایت الکتریکی زیاد و فرآیند انتقال بار با سرعت زیاد است. فرآیند انتقال بار سریع این الکترود ناشی از خلل و فرجهایی است که با ایجاد کانالهای انتقال بار، ورود- خروج یونهای موجود در الکترولیت و انتقال الکترون را تسریع میکنند [21].
شکل (5): مقایسه نمودار نایکوئیست نانوکامپپوزیت NiZn2O4/NiO/GO و گرافن اکساید احیا شده در الکترولیت KOH 3 مولار.
جدول 2 میزان ظرفیت ویژه خازنی الکترودی NiCo2O4/NiO/RGO ساخته شده در این پژوهش را با نتایج حاصل از تحقیقات انجام شده بر روی اکسیدهای نیکل و کبالت را نشان میدهد. نتایج حاصل از تحقیقات مشابه نشان میدهد که ماده الکترودی ساخته شده در این پژوهش (NiCo2O4/NiO/RGO) با ساختار صفحهای پوشش نسبت به دیگر تحقیقات انجام شده دارای بیشترین ظرفیت ویژه خازنی در دانسیته جریان مشابه میباشد.
جدول (2): مقایسه پژوهش حاضر به دیگر پژوهش‌ها.
الکترود | الکترولیت | دانسیته جریان (A/g) | ظرفیت ویژه | منبع |
NiMn2O4 | 6 مولار KOH | 1 | F/g 8/262 | [20] |
CoOx | 1 مولار KOH | 1 | F/g 8/262 | [22] |
NiCoOx | 1 مولار KOH | 1 | F/g 8/262 | [23] |
NiMoO4 | 2 مولار KOH | 1 | F/g1517-800 | [24] |
(NiCo2O4/NiO/RGO) | 2 مولار KOH | 1 | F/g400 | پژوهش حاضر |
جدول (3): پارامترهای اندازهگیری شده در این پژوهش.
چگالی توان (w/kg) | چگالی انرژی (wh/kg) | ظرفیت ویژه (F/g) | الکترود |
125 | 3.47 | 400 | NiCo2O4/NiO/RGO |
4- نتيجهگيري
ماده الکترودی NiCo2O4/NiO/RGO با استفاده از روش سونوشیمی سنتز شدند این نانومپوزیتها که از دسته کامپوزیتهای سه جزئی هستند، از دو جز کلی نانوساختارهای اکسیدی و گرافن اکساید هستند استفاده شده است)؛ جهت بررسی عملکرد ابرخازنی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج حاصل از آزمون‌های مشخصهیابی XRD، FT-IR و SEM نشان داد که ذرات NiCo2O4/NiO روی صفحات قطر /RGO به‌اندازه 80/8 نانومتر به دست آمدند. با انجام آزمون‌های الکتروشیمیایی CV، GCD و EIS، مشخص گردید که الکترود NiCo2O4/NiO/RGO دارای عملکرد عالی ابرخازنی با ظرفیت ویژه خازنی F/g 400 در دانسیته جریان A/g 1 و مقاومت انتقال بار Ω 4/32 است چگالی توان 125(w/kg) و چگالی انرژی 3.47 (wh/kg) است. این عملکرد مربوط به اثر همافزایی اکسیدهای منگنز و نیکل کبالت با گرافن اکساید کاهش‌یافته میباشد که تخلخل و سایتهای فعال لازم جهت انجام واکنش انتقال بار را فراهم میکنند.
5- مراجع
[1] N. Bose, V.Sundararajan, T. Prasankumar & S. P. Jose, "α–MnO2 coated anion intercalated carbon nanowires: A high rate capability electrode material for supercapacitors", Materials Letters, vol. 278, p. 128457, 2020.
[2] J. Yan, T. Wei, W. Qiao, B. Shao, Q. Zhao, L. Zhang & Zh. Fan, "Rapid microwave-assisted synthesis of graphene nanosheet/Co3O4 composite for supercapacitors", Electrochimica Acta, vol. 55, no. 23, pp. 6973-6978, 2010.
[3] W. Tong, Y. Wang, Y. Bian, A. Wang, N. Han & Y. Chen, "Sensitive cross-linked SnO2: NiO networks for MEMS compatible ethanol gas sensors", Nanoscale Research Letters, vol. 15, no. 1, pp. 1-12, 2020.
[4] R. Kumar, P. Rai & A. Sharma, "3D urchin-shaped Ni3 (VO4)2 hollow nanospheres for high-performance asymmetric supercapacitor applications," Journal of Materials Chemistry A, vol. 4, no. 25, pp. 9822-9831, 2016.
[5] M. Isacfranklin, R. Yuvakkumar, G. Ravi, M. Pannipara, A. G. Al-Sehemi & D. Velauthapillai, CuCoO2 electrodes for supercapacitor applications. Materials Letters, vol. 296, p. 129930, 2021.
[6] M. Jayachandran, S. K. Babu, T. Maiyalagan & N. Rajadurai, "Activated carbon derived from bamboo-leaf with effect of various aqueous electrolytes as electrode material for supercapacitor applications", Materials letters, vol. 301, p. 130335, 2021.
[7] D. P. Dubal & P. Gomez-Romero, "Metal oxides in supercapacitors", 2017, Elsevier.
[8] A. Muzaffar, M. Basheer Ahamed, K. Deshmukh & J. Thirumalai, "A review on recent advances in hybrid supercapacitors: Design, fabrication and applications", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 101. pp. 123-145, 2019.
[9] Y. Y. Huang & L. Y. Lin, "Synthesis of ternary metal oxides for battery-supercapacitor hybrid devices: influences of metal species on redox reaction and electrical conductivity", ACS Applied Energy Materials, vol. 1, no. 6, pp. 2979-2990, 2018.
[10] M. AmirZade, "Synthesis of Mn2V2O7 hollow microsphere as a high performance electrode material for supercapacitors," Iranian Journal of Ceramic Science & Engineering, vol. 11, no. 4, pp. 35-45, 2023.
[11] G. K. Veerasubramani, A. Chandrasekhar, M. S. P. Sudhakaran & Y. S. Muk, "Liquid electrolyte mediated flexible pouch-type hybrid supercapacitor based on binderless core–shell nanostructures assembled with honeycomb-like porous carbon", Journal of Materials Chemistry A, vol. 5, no. 22, pp. 11100-11113, 2017.
[12] G. Nagaraju, S. Ch. Sekhar, G. S. R. Raju, L. K. Bharat & J. S. Yu, "Designed construction of yolk–shell structured trimanganese tetraoxide nanospheres via polar solvent-assisted etching and biomass-derived activated porous carbon materials for high-performance asymmetric supercapacitors", Journal of Materials Chemistry A, vol. 5, no. 30, pp. 15808-15821, 2017.
[13] Wang, F., Sh. Xiao, Y. Hou, Ch. Hu, L. Liua & Y. Wu, "Electrode materials for aqueous asymmetric supercapacitors", Rsc Advances, vol. 3, no. 32, pp. 13059-13084, 2013.
[14] X. Zhao, Q. Liu, Q. Li, L. Chen, L. Mao, H. Wang & Sh. Chen, "Two-dimensional electrocatalysts for alcohol oxidation: A critical review", Chemical Engineering Journal, vol. 400, p. 125744, 2020.
[15] A. González, E. Goikolea, J. Andoni Barrena, R. Mysyk, "Review on supercapacitors: Technologies and materials", Renewable and sustainable energy reviews, vol. 58, pp. 1189-1206, 2016.
[16] S. Sharifi, Sh. Behzadi, S. Laurent, M. L. Forrest, P. Stroevee & M. Mahmoudi, "Toxicity of nanomaterials", Chemical Society Reviews, vol. 41, no. 6, pp. 2323-2343, 2012.
[17] V. S. Kumbhar, A. D. Jagadale, N. M. Shinde & C.D. Lokhande, "Chemical synthesis of spinel cobalt ferrite (CoFe2O4) nano-flakes for supercapacitor application", Applied Surface Science, vol. 259, pp. 39-43, 2012.
[18] G. Rothenberger, J. Moser, M. Graetzel, N. Serpone & D. K. Sharma, "Charge carrier trapping and recombination dynamics in small semiconductor particles", Journal of the American Chemical Society, vol. 107, no. 26, pp. 8054-8059, 1985.
[19] س. ع. حسینی مرادی، م. امیرزاده و ن. قبادی، "ساخت الکترودهای ابرخازنیِ نیکل منگنز اکسید (NiMnO3) نانوصفحه‌ای با استفاده از روش سنتز هیدروترمال"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 17، شماره 2، پیاپی 65، صفحه 25-33، 1402.
[20] Y. Sun, X. Du, J. Zhang, N. Huang, L. Yang & X. Sun"Microwave-assisted preparation and improvement mechanism of carbon nanotube@ NiMn2O4 core-shell nanocomposite for high performance asymmetric supercapacitors", Journal of Power Sources, vol. 473, p. 228609, 2020.
[21] M. Jing, Ch. Wang, H. Hou, Zh. Wu, Y. Zhu, Y. Yang, X. Jia, Y. Zhang & X. Ji, "Ultrafine nickel oxide quantum dots enbedded with few-layer exfoliative graphene for an asymmetric supercapacitor: Enhanced capacitances by alternating voltage", Journal of Power Sources, vol. 298, pp. 241-248, 2015.
[22] A. Laforgue, P. Simon, J. F. Fauvarque, J. F. Sarrau & P. Lailler, "Hybrid supercapacitors based on activated carbons and conducting polymers", Journal of the Electrochemical Society, vol. 148, no. 10, p. A1130, 2001.
[23] X. Zhang, B. Shao, A. Guo & Z. Gao, "Improved electrochemical performance of CoOx-NiO/Ti3C2Tx MXene nanocomposites by atomic layer deposition towards high capacitance supercapacitors", Journal of Alloys and Compounds, vol. 862, p. 158546, 2021.
[24] W. Ren, D. Guo, M. Zhuo, B. Guan, D. Zhangc & Q. Li, "NiMoO4@Co(OH)2 core/shell structure nanowire arrays supported on Ni foam for high-performance supercapacitors", RSC Advances, vol. 5, no. 28, pp. 21881-21887, 2015.
6- پینوشت
[1] Electrical double layer capacitors (EDLCs)
[2] Pseudocapacitors
[3] Redox
[4] Carbon Black
[5] Drop Casting
[6] Coulombic Efficiency
[7] Open Circuit Potential
[8] Charge Transfer Resistance
برای ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید:
Please cite this article using:
Seyed Ali Hosseini Moradi, Synthesis of Nickel Cobalt and Reduced Graphene Oxide Composite for Use as an Electrode Material with High Supercapacitor Performance, New Process in Material Engineering, 2024, 18(3), 39-47.
