通过恒电位氧化控制NiMn-LDH的结晶度以提高其电荷存储能力

《Journal of Electroanalytical Chemistry》:Crystallinity control of NiMn-LDH via potentiostatic oxidation for enhanced charge storage capacity

【字体: 时间:2025年12月17日 来源:Journal of Electroanalytical Chemistry 4.1

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  本研究采用恒电位氧化法调控NiMn-LDH的结晶度,发现氧化时间从0至1200秒时结晶度逐渐降低,最优状态(O-900s)在1A/g下比容量达206.3mAh/g,循环稳定性优异,并组装出能量密度30.1Wh/kg、功率密度775W/kg的超级电容器系统。

  
张一腾|杨丽萍|朱慧|薛雪雁|霍瑞强|薛楠|赵楚蕾|盛瑞|尹娇
中国新疆大学化学学院碳基能源资源化学与利用国家重点实验室,乌鲁木齐830017

摘要

非晶电极材料在超级电容器应用中具有显著优势,然而晶体对其电化学性能的影响尚未得到充分研究。本文介绍了一种简单的恒电位氧化方法,用于精细调节NiMn层状双氢氧化物(LDH)的晶体结构,并在相同条件下系统评估其储电性能。在碳布上生长的NiMn-LDH通过标准三电极装置在2 M KOH溶液中进行恒电位氧化处理。恒电位氧化增加了Mn4+的含量,从而改变了NiMn-LDH的晶体结构并降低了其结晶度。随着氧化时间从0增加到1200秒,结晶度逐渐降低,在900秒时达到最佳状态(记为O-900s)。O-900s电极在1 A g?1电流下表现出206.3 mAh g?1的显著比容量,并且在4000次循环后仍保留了79.9%的容量。此外,组装的不对称超级电容器在775 W kg?1功率密度下具有30.1 Wh kg?1的能量密度。我们的工作为通过调节晶体结构来优化NiMn-LDH电极和开发高性能超级电容器提供了有力框架。

引言

由于全球变暖和气候变化,风能和光伏等可再生能源的大规模应用,以及对电动汽车需求的增长,对储能设备的需求持续显著增加[[1], [2], [3], [4], [5]]。超级电容器具有高倍率性能和优异的循环稳定性,因此吸引了大量研究人员的关注[[6], [7], [8]]。
作为层状材料,层状双氢氧化物(LDH)具有独特的二维形态,自然提供了大量的离子通道,使其成为超级电容器的有前景的电极材料[[9], [10], [11], [12]]。特别是NiMn-LDH因其高理论容量、相对丰富的法拉第氧化还原反应和可控的成本而受到广泛研究[13,14]。然而,原始的NiMn-LDH导电性较差,这阻碍了电子的快速传输,结构变形会导致材料结构的破坏,从而影响长期稳定性[13,[15], [16], [17]]。为了克服这些限制,研究人员探索了形态和结构的调控[14,[18], [19], [20]]、通过复合材料形成进行表面/界面工程[12,[21], [22], [23], [24]]以及活性位点的调节[13,[25], [26], [27], [28]]。尽管NiMn-LDH已被广泛研究,但大多数先前研究集中在成分改性上。例如,Chen等人[29]采用搅拌方法在NiMn LDH表面均匀生长ZIF-67,从而引入了大量额外的活性位点并显著提高了电容。相比之下,晶体结构对NiMn-LDH电化学性能的影响却很大程度上被忽视了。
重要的是,非晶电极材料具有多种内在优势。它们高密度的电化学活性表面位点促进了电解质在整个材料体内的扩散,增加了可用于储电的活性位点[30,31]。低结晶度或非晶金属氢氧化物的结构缺陷进一步增强了离子扩散和反应动力学,从而实现了优异的倍率性能[32,33]。此外,非晶金属氢氧化物通常表现出更好的循环稳定性[34,35]。尽管有这些优点,关于NiMn-LDH中晶体结构影响的研究仍然很少,晶体结构对其电化学性能的具体作用仍需进一步研究。迄今为止,只有少数报告描述了低结晶度或非晶NiMn-LDH[25,[36], [37], [38]]。Shi等人[14]通过电沉积法制备了具有部分非晶结构的三维多孔Ni/NiMn LDH电极,该电极在1 A g?1电流下实现了2755.36 F g?1的优异比容量。然而,非晶区域对这些性能提升的精确贡献尚未明确分析。为了系统阐明晶体结构如何影响NiMn-LDH作为超级电容器电极的性能,以受控方式合成不同结晶度的NiMn-LDH是非常重要的。不幸的是,目前还没有简单的方法可以合成具有可调结晶度的NiMn-LDH,这使得开发此类策略成为一个关键的研究挑战。
在这项工作中,我们引入了一种恒电位氧化方法来调节NiMn-LDH的晶体结构,并研究不同结晶度对其储电性能的影响。使用碳布作为基底,通过水热法在碳布上生长NiMn-LDH。随后,在固定电位下对制备好的NiMn-LDH进行不同时间的氧化,以获得不同结晶度的样品。随着氧化时间的增加,结晶度逐渐降低,在900秒时达到最佳状态(记为O-900s)。得益于其降低的结晶度,O-900s电极在1 A g?1电流下表现出206.3 mAh g?1的显著比容量,并且在4000次循环后仍保留了79.9%的容量。我们的工作为通过调节晶体结构来优化NiMn-LDH电极和开发高性能超级电容器提供了有力框架。

材料

六水合氯化镍(NiCl2?6H2O,98%)和四水合氯化锰(MnCl2?4H2O,99%)购自Sinopharm Chemical Reagent。尿素((NH2)2CO,99%)购自Aladdin。碳布(W0S1011)购自CeTech Co., Ltd.

NiMn-LDH/CC的合成

首先,将碳布(CC)用空气等离子体(VP-T,SUNJUNE,中国)处理15分钟。然后,将尿素(4 mmol)、MnCl2?4H2O(1 mmol)和NiCl2?6H2O(3 mmol)分散在60 mL去离子水中。

结果与讨论

图1示意性地展示了NMCC和O-900s的合成过程。最初,使用碳布作为基底,通过水热法生长NiMn-LDH,得到高结晶度的NiMn-LDH,记为NMCC。NMCC的平均NiMn-LDH质量负载量为0.8 mg cm?2

结论

总结来说,我们开发了一种恒电位氧化策略来调节NiMn-LDH的晶体结构。具体来说,NiMn-LDH/CC在2 M KOH溶液中的标准三电极装置中进行恒电位氧化。恒电位氧化增加了Mn4+的含量,从而改变了NiMn-LDH的晶体结构。随着氧化时间的增加,NiMn-LDH的结晶度逐渐降低。

CRediT作者贡献声明

张一腾:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿,实验研究,数据分析,概念化。杨丽萍:撰写 – 审稿与编辑,监督,数据分析。朱慧:撰写 – 审稿与编辑,监督,资源协调,项目管理。薛雪雁:实验研究,数据分析。霍瑞强:数据分析。薛楠:软件操作,数据分析。赵楚蕾:数据分析。盛瑞:撰写 – 审稿与编辑,资源协调,实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了新疆维吾尔自治区重点研发项目(2022B01023-2, 2023LQ04002)、国家自然科学基金(22478412, 22408389)以及中国科学院青年创新促进会(Y2023119)的支持。
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