Sintesi controllabile della sfera

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14413 (2022) Citare questo articolo

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La fabbricazione di materiali per elettrodi di accumulo di energia con elevata capacità specifica e capacità di carica-scarica rapida è diventata una questione essenziale e di grande preoccupazione negli ultimi anni. Nel presente lavoro, il solfuro di nichel (NiS) privo di leganti interconnesso a forma di sfera cresciuto sulla superficie di una schiuma di nichel tridimensionale (3DNF) è stato fabbricato mediante un metodo solvotermico in una fase in condizioni di sintesi ottimizzate, inclusi diversi solventi, quantità di zolfo e tempi di reazione sperimentali. Gli elettrodi SS-NiS@3DNF-E fabbricati senza leganti sono stati caratterizzati da una gamma di tecniche spettroscopiche e microscopiche e ulteriormente valutati per le loro prestazioni supercapacitive elettrochimiche comparative nelle celle di assemblaggio di semicelle. L'elettrodo SS-NiS@3DNF-E-3 ottimizzato a forma di sfera interconnesso e senza leganti ha mostrato una capacità specifica eccezionale di 694,0 F/g rispetto a SS-NiS@3DNF-E-1 (188,0 F/g), SS- NiS@3DNF-E-2 (470.0 F/g) e SS-NiS@3DNF-E-4 (230.0 F/g) nonché un'eccellente stabilità del ciclo fino all'88% dopo 6700 cicli di carica-scarica continui, con un densità di energia di 24,9 Wh/kg con una densità di potenza di 250,93 W/kg. I risultati ottenuti dimostrano che l'elettrodo NiS@nichel interconnesso e senza leganti è un potenziale candidato per applicazioni di accumulo di energia.

Negli ultimi anni, a causa dell’esaurimento dei combustibili fossili, dell’aumento della domanda di energia per le applicazioni di alimentazione dei veicoli e del crescente mercato di piccoli dispositivi elettronici, le questioni ambientali come l’inquinamento e il cambiamento climatico sono diventate più importanti1,2. Pertanto, la società si sta rivolgendo a fonti energetiche sostenibili e rinnovabili, tra cui l’energia solare, l’energia eolica e l’energia geotermica1,2,3,4. Queste fonti, tuttavia, sono limitate a orari, condizioni, come sole o pioggia, e luoghi specifici. Di conseguenza, le tecnologie pulite di conversione e stoccaggio dell’energia, comprese le batterie, i supercondensatori elettrochimici (ES) e le celle a combustibile, hanno ricevuto molta attenzione. Queste tecnologie vengono utilizzate in tablet, smartphone, fotocamere e veicoli ibridi e svolgono un ruolo importante come fonti di energia nella vita quotidiana1,2,3,4,5,6.

I supercondensatori (SC) hanno recentemente attirato molta attenzione nel campo dell'energia grazie alla loro elevata densità di potenza, all'eccezionale stabilità del ciclo, al rapido processo di carica/scarica e al basso costo. Inoltre, la disposizione di un SC tra una batteria ad elevata capacità di accumulo di energia e un condensatore tradizionale ad alta densità di energia si traduce in migliori prestazioni elettrochimiche in una varietà di applicazioni5,6. Gli ES vengono utilizzati in dispositivi in ​​grado di immagazzinare una quantità significativa di energia in un breve periodo, come piattaforme ibride per camion e autobus, turbine eoliche e sistemi di energia solare rinnovabile, tecnologia laser pulsata e telefoni cellulari1,2,6. I primi ES furono riportati in un brevetto depositato da Beaker nel 1957, che specificava un condensatore basato su carbonio ad ampia superficie7. Gli SC sono classificati in tre tipi in base al meccanismo di accumulo dell'energia: condensatori elettrici a doppio strato (EDLC), pseudocondensatori e SC ibridi, che combinano entrambi i tipi di condensatori. Negli EDLC, l'energia viene immagazzinata attraverso un processo di adsorbimento/desorbimento in cui gli ioni dell'elettrodo interagiscono elettrostaticamente con l'elettrolita6,8. Negli pseudocondensatori, la carica viene immagazzinata attraverso una reazione redox che avviene durante il processo di carica/scarica9,10,11,12. Inoltre, le SC sono classificate come simmetriche o asimmetriche in base alla configurazione dell'elettrodo quando vengono utilizzati materiali degli elettrodi identici o diversi8,9,13. Le prestazioni degli SC sono fortemente influenzate dai materiali utilizzati negli elettrodi. I materiali a base di carbonio, come carbone attivo (AC), grafene e nanotubi di carbonio (CNT), vengono utilizzati negli EDLC perché hanno un ciclo di vita lungo e una forte conduttività elettrica, sebbene la loro capacità sia solitamente bassa1,5. Al contrario, gli pseudocondensatori utilizzano principalmente ossidi metallici (MO) e polimeri conduttori1,5. L'ossido di rutenio (RuO2) è il materiale per elettrodi più studiato grazie alla sua elevata capacità specifica, al lungo ciclo di vita e all'elevata conduttività ionica. Il suo utilizzo nelle SC è tuttavia limitato a causa del costo elevato e della tossicità14. Pertanto, gli MO di transizione e i loro idrossidi vengono utilizzati come materiali alternativi, come l'ossido di manganese (MnO2), l'ossido di nichel (NiO), Ni(OH)2, l'ossido di cobalto (Co3O4), Co(OH)2 e l'ossido di vanadio (V2O5). )1,2,3,4,14. A causa del loro basso costo, eco-compatibilità, buona capacità teorica specifica e bassa resistenza, questi materiali sono utili per costruire dispositivi ad alta densità di energia. Tuttavia, gli idrossidi/ossidi dei metalli di transizione soffrono di scarsa stabilità ciclica e di bassa conduttività, che si traducono in un ridotto trasporto di elettroni e in una capacità teorica relativamente bassa2,3. Recentemente, c'è stato un aumento significativo nella ricerca sui solfuri dei metalli di transizione (TMS), come CoS2, FeS2, MnS, CuS e NiS, come materiali promettenti per gli elettrodi SC8,11,15,16 a causa dei loro vantaggi rispetto ai loro ossidi , come il rapporto costo-efficacia, il basso impatto ambientale, l'eccellente conduttività elettrica, vari stati di valenza che forniscono siti per l'attività elettrochimica e una capacità più elevata16. Inoltre, la forma, le dimensioni e la morfologia dei materiali degli elettrodi a base di solfuro metallico possono influenzarne le prestazioni elettrochimiche. Gli elettrodi basati su solfuri e idrossidi metallici operano sul meccanismo di reazione faradica e immagazzinano energia sulla superficie dell'elettrodo attraverso reazioni redox reversibili, che è il motivo principale per cui forniscono prestazioni elettrochimiche migliori rispetto ai condensatori a doppio strato16. Ad esempio, un composito MnS con ossido di grafene ridotto (rGO) è stato valutato per l'uso negli SC e questo elettrodo produce stabilità di ciclo lungo e elevata capacità specifica17. α-MnS/N-rGO è stato progettato da Quan et al.18 come materiale per elettrodi catodici in applicazioni SC asimmetriche e ha fornito una densità di energia di 27,7 Wh kg-1 con una densità di potenza di 800 W kg. Il solfuro di rame (CuS) è stato utilizzato come materiale per gli elettrodi, ma le sue applicazioni sono limitate dalla sua bassa densità di energia e dalla scarsa stabilità del ciclo, che deve essere migliorata19. Per risolvere questi problemi, l’introduzione di un materiale di carbonio, che ha un’elevata densità di potenza e una buona stabilità ciclica, nella preparazione del CuS può migliorare le prestazioni degli SC20. BoopathiRaja et al.21 hanno affermato che un elettrodo composito CuS/rGO garantisce un'eccellente stabilità ciclica a lungo termine (ritenzione del 97%) e presenta una capacità di 1604 Fg-1 con una densità di corrente di 2 Ag-1. Tra tutti i solfuri a base metallica sopra citati, il NiS in particolare ha attirato notevole attenzione nei campi dell'accumulo di energia, comprese batterie e SC, grazie alle sue eccellenti proprietà fisiche e chimiche e alle diverse fasi, come Ni7S6, Ni9S8, α-NiS, β-NiS, Ni3S4 e NiS2, la maggior parte dei quali esistono a temperatura ambiente22,23,24. Tra queste fasi, il NiS (α-NiS, β-NiS) è la combinazione più stabile e ricca di zolfo tra le forme di solfuri di nichel22,23. Le fasi sono influenzate dalla temperatura e l'α-NiS con struttura cristallina romboedrica appare a basse temperature22, mentre il β-NiS in forma esagonale si presenta ad alte temperature23,24. Pertanto, il NiS viene scelto per scopi di elettrodo in base al suo diagramma di fase, che mostra una ricca struttura di zolfo e stabilità di fase a temperatura normale, che sono i punti principali da considerare quando si utilizza NiS come materiale per elettrodi di prossima generazione basato sull'accumulo di energia. Per questi motivi, il NiS è stato utilizzato come materiale per elettrodi efficace grazie alle sue forti caratteristiche, tra cui elevata conduttività, stabilità termica ed espansione volumetrica più lenta durante il processo di carica-scarica22,24. Pochi lavori sono stati riportati su NiS con morfologie diverse, come quello di Bhagwan et al.25, che hanno sintetizzato elettrodi a microfiori β-NiS (3D) con geometrie gerarchiche utilizzando un metodo idrotermale, che hanno mostrato un'elevata stabilità di ciclo e una capacità specifica di 1529 F/g. Allo stesso modo, Naresh et al.22 hanno preparato NiS su schiuma di nichel mediante trattamento idrotermale e hanno studiato NiS con diverse morfologie variando il tempo di reazione e studiando il suo ruolo nelle prestazioni capacitive. Parveen et al.6 hanno riferito che il solfuro di nichel gerarchico a forma di fiore, sintetizzato idrotermicamente, ha mostrato un'eccellente capacità specifica di 603,9 F/g con un'elevata ritenzione ciclica dell'89% negli elettroliti acquosi. Guan et al.16 e Balakrishnan et al.26 hanno sintetizzato NiS simile a microfiori tramite un metodo solvotermico utilizzando Ni(OH)2 come precursori. L'elettrodo fabbricato ha fornito una capacità specifica di 1122,7 Fg-1 con una densità di corrente di 1 Ag-1 e un'eccellente stabilità del ciclo dopo 100 cicli. A causa della struttura instabile e dell'effettivo contenuto di zolfo nel sistema NiS, le proprietà elettrochimiche (capacità, stabilità del ciclo) del NiS negli SC sono limitate. Successivamente, per affrontare questi problemi, i ricercatori hanno tentato di sintetizzare NiS con diverse concentrazioni di zolfo in condizioni diverse e di studiare gli impatti sulla morfologia per ottenere prestazioni eccellenti.