在CO?电还原过程中,形状可控的Cu?O催化剂的结构重构

《Journal of Electroanalytical Chemistry》:Restructuring of shape-controlled Cu 2O catalysts during CO 2 electroreduction

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

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  采用恒电位氧化法调控NiMn-LDH结晶度,系统研究结晶度对电化学性能的影响。结果表明,结晶度降低的O-900s电极在1 A g?1下比容量达206.3 mAh g?1,循环稳定性良好,组装器件能量密度30.1 Wh kg?1,功率密度775 W kg?1,为优化超级电容器电极设计提供新策略。

  
张一腾|杨丽萍|朱慧|薛雪燕|霍瑞强|薛楠|赵楚雷|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

非晶态电极材料在超级电容器应用中具有显著优势,但晶体结构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,用于调控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。将NiMn-LDH生长在碳布上,然后将其置于2 M KOH溶液中的标准三电极体系中进行恒电位氧化。恒电位氧化增加了Mn4+的含量,从而改变了NiMn-LDH的晶体结构并降低了其结晶度。随着氧化时间的增加(从0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的电流密度下表现出206.3 mAh g?1的显著比容量,并在4000次循环后仍保持该值的79.9%。此外,组装而成的不对称超级电容器装置在775 W kg?1的功率密度下具有30.1 Wh kg?1的能量密度。我们的工作为通过调控晶体结构来优化NiMn-LDH电极和开发高性能超级电容器提供了可靠的方法。

引言

受全球变暖和气候变化的推动,风能和光伏等可再生能源的大规模应用,以及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能力和出色的循环稳定性,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途的电极材料[[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,且结构变形会导致材料结构的崩溃,从而影响其长期稳定性[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]]以及活性位点的调控[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组成改性上。例如,Chen等人[29]采用搅拌方法在NiMn LDH表面均匀生长了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大多被忽视。
重要的是,非晶态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材料内部的扩散,增加了可用于储电的活性位点[30,31]。低结晶度或非晶态金属氢氧化物中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能力[32,33]。此外,非晶态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探讨。迄今为止,只有少数报道描述了低结晶度或非晶态NiMn-LDH[25,[36], [37], [38]]。Shi等人[14]通过电沉积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的电流密度下实现了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行为,以可控的方式合成不同结晶度的NiMn-LDH非常重要。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,这使得开发这样的策略成为一个关键的研究挑战。
在这项工作中,我们采用恒电位氧化方法来调控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的电流密度下表现出206.3 mAh g?1的显著比容量,并在4000次循环后仍保持该值的79.9%。我们的工作为通过调控晶体结构来优化NiMn-LDH电极和开发高性能超级电容器提供了可靠的方法。

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(DI)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,称为NMCC。NMCC的平均NiMn-LDH质量负载为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体系中进行恒电位氧化。恒电位氧化增加了Mn4+的含量,从而改变了NiMn-LDH的晶体结构。随着氧化时间的延长,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,概念构思。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,资源管理,项目协调。薛雪燕: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。赵楚雷:数据分析。盛瑞:撰写 – 审稿与编辑,资源管理,实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

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)和中国科学院青年创新促进会(Y2023119)的支持。
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