Einfache Synthese von NiTe2

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 1364 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Das Design von Bimetalltelluriden, die hervorragende elektrochemische Eigenschaften aufweisen, bleibt eine große Herausforderung für Hochleistungs-Superkondensatoren. In der vorliegenden Studie wird Tellur zum ersten Mal auf CoNi2@rGO konsolidiert, um NiTe2-Co2Te2@rGO-Nanokomposit mithilfe einer einfachen hydrothermischen Methode zu synthetisieren. Das so hergestellte NiTe2-Co2Te2@rGO-Nanokomposit wurde durch EDS-, TEM-, FESEM-, Raman-, BET-, XRD- und XPS-Techniken charakterisiert, um die Strukturumwandlung nachzuweisen. Bei der elektrochemischen Charakterisierung zeigte NiTe2-Co2Te2@rGO während der Farad-Reaktion zahlreiche aktive Zentren und verbesserte Kontaktstellen mit der Elektrolytlösung. Das so hergestellte Nanokomposit weist eine spezifische Kapazität von 223,6 mAh g-1 in 1,0 M KOH bei 1,0 A g-1 auf. Außerdem konnte es nach 3000 aufeinanderfolgenden galvanostatischen Lade-Entlade-Zyklen bei einer Stromdichte von 1,0 A g−1 eine Stabilität von 89,3 % beibehalten. Der Hybrid-Superkondensator, der aus Aktivkohle als Anodenstelle und NiTe2-Co2Te2@rGO als Kathodenstelle besteht, weist ein Potentialfenster von 1,60 V mit einer Energiedichte von 51 Wh kg−1 und einer Leistungsdichte von 800 W kg− auf 1; Diese Elektrode ist in der Lage, zwei rote LED-Lampen und eine gelbe LED-Lampe, die parallel geschaltet ist, 20 Minuten lang zum Leuchten zu bringen. Die vorliegende Arbeit eröffnet neue Wege für das Design und die Herstellung von Nanokomposit-Elektrodenmaterialien im Bereich Superkondensatoren.

Aufgrund des starken Bevölkerungswachstums kommt der Energiespeicherung eine große Bedeutung zu. Heutzutage sind fossile Brennstoffe die wichtigste Energiequelle, die eng mit der globalen Erwärmung verbunden ist1,2,3. Das Vorhandensein hoher CO2-Mengen in der Atmosphäre verursacht Hitze auf der Erdoberfläche4. Aus verschiedenen Studien geht hervor, dass der CO2-Ausstoß in der Atmosphäre seit dem frühen 19. Jahrhundert um mindestens 25 % zugenommen hat. Infolgedessen ist die Temperatur auf der Erde in den letzten 150 Jahren um mehr als 1 Grad Celsius gestiegen. Um auf der Erde zu überleben, ist die Nutzung erneuerbarer Energien von wesentlicher Bedeutung für die Reduzierung von Treibhausgasemissionen und Luftverschmutzung5. Daher erfordern neue Energieerzeugungstechnologien wie Solar6, Wind7 und Brennstoffzellen1 Geräte zur Energiespeicherung.

Batterien8, Brennstoffzellen9 und Superkondensatoren10 sind die wichtigsten Energiespeicher mit hoher Energiedichte und Leistung, optimalem Lebenszyklus und Mobilität. Batterien und Superkondensatoren sind zwei wichtige Speichersysteme für elektrische Energie, die im Laufe der Jahre für tragbare Geräte sowie für den Einsatz in intelligenten Netzen entwickelt wurden11,12. Superkondensatoren können im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren eine große Ladungsmenge speichern, liefern schnell Energie, bieten eine schnelle Ladefähigkeit, haben eine lange Lebensdauer, bieten eine hervorragende Leistung bei niedrigen Temperaturen, sind umweltfreundlich und haben niedrige Kosten. Darüber hinaus explodieren sie im Gegensatz zu Batterien auch bei Überladung nicht.

Elektrodenmaterialien und Elektrolyte spielen eine wichtige Rolle bei der Erzielung der besten Leistung für die Kommerzialisierung von SCs13,14. Sie beeinflussen spezifische Kapazitäts-, Betriebsspannungs-, Energiedichte- und Leistungsdichtewerte. Materialien auf Übergangsmetallbasis gelten aufgrund ihrer Hochgeschwindigkeitsfähigkeit, hohen Kapazität und geringen Kosten seit langem als vielversprechende Elektrodenmaterialien. Dennoch haben sie eine begrenzte Oberfläche, eine geringe Zyklenlebensdauer und eine schlechte elektrische Leitfähigkeit. Daher sind (1) die Steuerung der Morphologie, (2) die Zusammensetzung der Elektrodenmaterialien, um einen Synergieeffekt zu erzeugen, (3) die Dotierung des Elektrodenmaterials mit dem Element zur Verbesserung der Redoxreaktivität und (4) die Defekttechnik mehrere Ansätze, um diese Mängel zu überwinden15, 16,17.

In jüngster Zeit haben Übergangsmetallchalkogenide große Aufmerksamkeit als vielversprechende Elektrodenmaterialien für SCs-Anwendungen auf sich gezogen 18,19. Insbesondere Übergangsmetalltelluride und -selenide, die aufgrund ihrer geringeren Elektronegativität und größeren Atomradien als Schwefel und Sauerstoff zu verbesserten chemischen, physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften führen20. Die Hauptmerkmale dieser Materialien sind lange Zyklenlebensdauer, hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe mechanische Stabilität, geringe Ionisierungsenergie, reibungsloser Elektronentransport, große Oberfläche, Verbesserung redoxaktiver Strukturen und hohe spezifische Kapazität21,22,23,24. Darüber hinaus erhöht die starke kovalente Bindung zwischen Tellur und Kobalt/Nickel die Menge an aktiven Zentren und die elektrische katalytische Aktivität. Aufgrund der Atomorbitalüberlappung von Tellur mit Kobalt/Nickel führt der verringerte Ladungstransferbandwert zu einer verbesserten superkapazitiven Eigenschaft, Flexibilität und einem erhöhten Ladungstransfer25.

Bisher wurden mehrere Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren auf Basis von Übergangsmetallchalkogeniden beschrieben. Beispielsweise präsentierten Deshagani et al.26 das mit Selenid dotierte Nickeltellurid und beschichteten es mit Poly(N-methylpyrrol), das für SCs-Anwendungen verwendet wird und eine spezifische Kapazität von 404 C g−1 und eine Energiedichte von 80 Wh kg− aufweist 1 und eine Leistungsdichte von 400 W kg−1 für die asymmetrische Konfiguration, was einen verstärkten Synergieeffekt des Dotierungselements (Se) auf die Leistung des Superkondensators bedeutet. Ye et al. stellten die hierarchische 3D-Kern-Schale-Struktur von NiTe@NiCoSe2 als positive Elektrode in asymmetrischen Superkondensatoren her, die eine maximale Energiedichte von 59,8 Wh kg−1 und eine Leistungsdichte von 800 W kg−1 aufwiesen. Dieses Gerät zeigte nach 10.000 Zyklen eine hervorragende Stabilität27. Alegaonkar et al.28 präsentierten eine einfache Methode zur Herstellung von Tellur-rGO für die Pseudokondensatoranwendung und zeigten 168,44 F g−1 bei 1 A g−1 in einer asymmetrischen Konfiguration. Es wurde festgestellt, dass diese Studien zwar bessere Leistungen im SC-Bereich zeigen, diese Materialien jedoch unter unkontrollierbaren Versuchsbedingungen und mangelhaften Elektrodeneigenschaften leiden. Hier verwendeten wir eine einfache hydrothermale Synthesemethode, um die morphologischen und strukturellen Merkmale des so hergestellten NiTe2-Co2Te2@rGO-Nanokomposits zu steuern. Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Studie, die NiTe2-Co2Te2@rGO-Nanokomposit mit der hydrothermischen Methode herstellt. Noch wichtiger ist, dass eine eingehende elektrochemische Charakterisierung und praktische Anwendung von SC implementiert wurde.

In dieser Studie haben wir ein neuartiges kugelförmiges NiTe2-Co2Te2 synthetisiert, das auf dem reduzierten Graphenoxid für einen Hochleistungs-Hybrid-Superkondensator gewachsen ist. Zuerst wurde CoNi2@rGO synthetisiert, dann wurde Te durch Ionenaustausch in diese Struktur eingeführt, um NiTe2-Co2Te2@rGO zu erhalten, und seine Morphologie änderte sich. Die NiTe2-Co2Te2@rGO-Elektrode zeigt eine spezifische Kapazität von 223,6 mAh g−1 in 1,0 M KOH bei 1,0 A g−1 und behält immer noch 51,10 %, wenn die Stromdichte auf das Zehnfache ansteigt. Darüber hinaus liefert der NiTe2-Co2Te2@rGO//AC als Hybrid-Superkondensator eine maximale Energiedichte von 51 Wh kg−1 bei 850 W kg−1. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass das NiTe2-Co2Te2@rGO-Nanokomposit ein vielversprechendes aktives Material als Hybrid-Superkondensator mit einem akzeptablen Wert der Energiedichte im Vergleich zu mehreren verwandten Materialien ist.

Das Röntgenbeugungsmuster (XRD) von NiTe2-Co2Te2@rGO (12 h) in Abb. 1A zeigt die kristalline Struktur und chemische Zusammensetzung dieses Nanokomposits. Die Indexspitzen liegen bei 2θ = 16,2 (001), 28,2 (100)/(010), 31,6 (101)/(011), 43,15 (012), 46,75 (110), 57 (021), 62,55 (202). , 77,3 (211) und 88,6 (144), entsprechend den Spitzenwerten von (JCPDS-Karte: 01-089-0504) und (JCPDS-Karte: 96-900-8888)29.

(A) XRD-Spektrum und (B–F) hochauflösende Spektren von Co 2p, Ni 2p, Te 3d, O 1s bzw. C 1s von NiTe2-Co2Te2@rGO.

Die koordinierte Umgebung zentraler Metallionen und die Valenzzustände wurden mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Abbildung 1B–F bewies die Struktur von NiTe2-Co2Te2@rGO (12 h); Im hochauflösenden Spektrum von Ni 2p erschienen zwei Hauptpeaks, die Ni 2p3/2 und Ni 2p1/2 zugeschrieben werden, was auf die Existenz einer gemischten Valenz von (Ni2+ und Ni3+) und Co 2p3/2 und Co 2p1 hinweist /2-Spektren zeigten zwei Hauptpeaks, die zu Co2+ und Co3+ im Nanokomposit beitragen. Darüber hinaus zeigt das Te 2d-Spektrum zwei Hauptpeaks, Te 2d5/2 (577,17) und Te 3d3/2 (586,8), die Te2−30 zugeordnet werden. Die O 1s-Peaks bei 531,8 und 532,6 eV stehen im Zusammenhang mit den Gruppen C=O/C–O bzw. Wasser/Carboxyl. Das C 1s-Spektrum zeigt Peaks bei 284,5 (CC-Bindung), 285,6 (CO-Bindung) und 288,6 (C=O-Bindung) eV in rGO. Folglich werden der Valenzzustand und die Zusammensetzung von NiTe2-Co2Te2@rGO erfasst, um den Energiespeichermechanismus zu untersuchen.

Die Morphologie von NiTe2-Co2Te2@rGO (12 h) wurde durch Mikroskopiebilder untersucht. Abbildung 2A–F veranschaulichen Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopbilder (FE-SEM) von (A–B) rGO, (C–D) CoNi2@rGO und (E–F) NiTe2-Co2Te2@rGO. Das GO-Bild zeigt dichte Schichten mit einer effektiven Oberfläche, um die schnelle Diffusion der Ionen zu fördern. CoNi2 zeigt die Nanodrahtmorphologie auf rGO-Nanoblättern mit einer durchschnittlichen Dicke von etwa 25 nm. Das kugelförmige NiTe2-Co2Te2@rGO aus CoNi2 wurde auf rGO-Nanoblättern gezüchtet und gleichmäßig verteilt. Darüber hinaus kann diese Struktur aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche eine ausgedehnte Kontaktfläche zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten bieten. Die TEM-Bilder (Abb. 2G–H) von NiTe2-Co2Te2@rGO stimmen gut mit den FE-SEM-Bildern überein. Um die Zusammensetzung von NiTe2-Co2Te2@rGO zu identifizieren, bewiesen die EDX- und Elementkartierungsanalyse die Existenz von Ni, Co, Te, O und C und die Verteilung der Elemente ist sehr gleichmäßig (Abb. S1). Darüber hinaus zeigt Abb. S1, dass die genannten Elemente in der gesamten Architektur dieses Verbundwerkstoffs gleichmäßig verteilt sind.

FE-SEM-Bilder von (A, B) GO, (C, D) CoNi2@rGO und (E–F) NiTe2-Co2Te2@rGO; und TEM-Bilder von NiTe2-Co2Te2@rGO (G, H).

Die elektronische Struktur von GO- und NiTe2-Co2Te2@rGO-Materialien wurde mittels Raman-Spektroskopie analysiert, wie in Abb. S2A dargestellt. In beiden Spektren zeigt die Bande bei 1555 cm−1 die Zugschwingung der sp2-Hybridplatte an, die als G-Band bezeichnet wird, und stellt die Graphitstruktur dar. Die Bande bei 1324 cm−1 weist auf den Defekt der Kristallgitter von sp3-Kohlenstoffatomen hin, der durch die D-Bande31 gekennzeichnet ist. Die Raman-Spektren von NiTe2-Co2Te2@rGO zeigten im Vergleich zum GO-Spektrum eine Blauverschiebung im G- und D-Band. Dies kann auf die zunehmende Anzahl von Defekten in Gegenwart von Te zurückzuführen sein. Ein weiterer Peak erschien im Bereich von ~ 980 cm−1 im NiTe2-Co2Te2@rGO aufgrund der Bildung von Metallhydroxid/Tellurid-Bindungen, die eine gute Kristallinität mit starker Wechselwirkung und homogener Dekoration seiner Partikel mit rGO-Schichten bestätigten. Außerdem gibt das ID/IG den Graphitgrad von Kohlenstoffmaterialien an. Das ID/IG-Verhältnis wurde mit 0,78 bzw. 1,0 für GO und NiTe2-Co2Te2@rGO berechnet, was auf die Bildung von mehr im Verbundwerkstoff hinweist.

Die N2-Adsorptions-/Desorptionsisothermenkurve und die Barrette-Joyner-Halenda (BJH)-Porengrößenverteilung von NiTe2-Co2Te2@rGO sind in Abb. S2B dargestellt. Basierend auf der Form der Hystereseschleife auf der Kurve kann sie als Typ H3 klassifiziert werden, was darauf hinweist, dass Poren schlitzartig sind. Darüber hinaus werden basierend auf BET- und BJH-Daten die spezifische Oberfläche, die durchschnittliche Porengröße und das Gesamtporenvolumen mit 34,49 m2 g−1, 26,6 nm bzw. 0,23 cm3 g−1 berechnet. Anhand der Ergebnisse der berichteten Analyse kann der Schluss gezogen werden, dass NiTe2-Co2Te2@rGO erfolgreich synthetisiert wurde.

Die elektrochemischen Eigenschaften von CoNi2@rGO, das zu unterschiedlichen Zeiten (8, 12 und 16 Stunden) synthetisiert wurde, wurden mit CV- und GCD-Techniken in einem Drei-Elektroden-Aufbau in 1,0 M KOH bewertet. Abbildung S3A zeigt vergleichbare CV-Kurven von CoNi2@rGO bei einer Scanrate von 20 mV s−1. Redox-Peaks, die in CV-Kurven erscheinen, offenbaren die Pseudokapazitätsnatur dieser Elektrode32. Wie dargestellt, wurde CoNi2@rGO 12 Stunden lang synthetisiert, was eine höhere Redox-Peak-Stromdichte und die integrierte Fläche unter der CV-Kurve ergab. Der zweite Syntheseschritt für das erhaltene NiTe2-Co2Te2@rGO wurde zu verschiedenen Zeitpunkten (8, 12 und 16 Stunden) durchgeführt. Die CV-Kurven dieser Struktur zeigen den gleichen Trend wie CoNi2@rGO, außerdem weist NiTe2-Co2Te2@rGO (12 h) unter den gleichen Bedingungen eine bessere Reversibilität auf (Abb. S3B). Die entsprechenden GCD-Kurven zeigen das gleiche Ergebnis; Bei 12-stündiger Synthese zeigen beide Strukturen eine höhere spezifische Kapazität bei einer Stromdichte von 1 A g−1 (Abb. S3C, D). Daher ist 12 Stunden die optimale Zeit für beide Syntheseschritte, da es möglicherweise zu einer besseren Orbitalüberlappung und einer Verringerung der Energiebandlücke kommt.

Um den synergistischen Effekt zwischen Ni, Co und Te in Telluridverbindungen zu untersuchen, werden die CV-Kurven von Nickelschaum (NF), CoNi2@rGO und NiTe2-Co2Te2@rGO bei einer Scanrate von 20 mV s−1 in 1.0 verglichen M KOH. Das NiTe2-Co2Te2@rGO zeigt eine größere integrierte Fläche unter der CV-Kurve und eine höhere Spitzenstromdichte (Abb. 3A). Darüber hinaus sind die entsprechenden GCD-Kurven in (Abb. 3B) dargestellt, und NiTe2-Co2Te2@rGO zeigt die längste Entladezeit. Daraufhin zeigt die Tellurierung des CoNi2@rGO aufgrund der Erhöhung der Anzahl aktiver Stellen und der Verbindung zwischen Strukturen die beste Kapazitätsleistung und wird für weitere Untersuchungen ausgewählt.

Elektrochemische Leistungsmessungen in einem Drei-Elektroden-System; (A) CV-Kurven der NF-, CoNi2@rGO- und NiTe2-Co2Te2@rGO-Elektroden bei einer Scanrate von 20 mV s−1, (B) GCD-Kurven der CoNi2@rGO- und NiTe2-Co2Te2@rGO-Elektroden bei einem Strom Dichte von 1 A g−1, (C) CV-Kurven von NiTe2-Co2Te2@rGO bei verschiedenen Scanraten von 5–100 mV s−1, (D) GCD-Kurven der NiTe2-Co2Te2@rGO-Elektrode bei verschiedenen Stromdichten, (E) Die Relevanz der spezifischen Kapazität der CoNi2@rGO- und NiTe2-Co2Te2@rGO-Elektroden mit Stromdichten und (F) Zyklenlebensdauer der NiTe2-Co2Te2@rGO-Elektrode bei 10,0 A g−1 in 1,0 M KOH.

Abbildung 3C zeigt CV-Kurven von NiTe2-Co2Te2@rGO bei verschiedenen Scan-Raten (5–100 mV s−1) in KOH 1,0 M. Bei niedrigeren Scan-Raten gibt es zwei deutliche anodische Peaks, die dem Co2+/Co3+ zugeschrieben werden Ni2+/Ni3+-Oxidationspeaks, aber bei höheren Scanraten verschmolzen sie. Darüber hinaus ist in diesen Kurven der Redoxpeak von NiTe2-Co2Te2@rGO während des elektrochemischen Prozesses dargestellt. Durch die Erhöhung der Scanraten wird die integrierte Fläche unter den CV-Kurven tendenziell größer, die Form der Kurven ändert sich jedoch nicht wesentlich. Somit wurde die reversible faradische Reaktion von NiTe2:Co2Te2@rGO bestätigt und die schnelle Ionendiffusion wird basierend auf früherer Literatur wie folgt empfohlen30:

Abbildung 3D zeigt die GCD-Kurven von NiTe2-Co2Te2@rGO bei den verschiedenen Stromdichten (1–10 A g−1). Die spezifische Kapazität betrug 223,6, 196,6, 154,2, 140,0, 122,5 und 113,8 mAh g−1 bei 1, 2, 5, 7, 9 bzw. 10 A g−1. Daher verschieben sich die GCD-Kurven allmählich nach links und haben eine quasi-symmetrische Form, was eine hervorragende Geschwindigkeitsleistung und Coulomb-Effizienz offenbart. Das NiTe2-Co2Te2@rGO kann eine höhere Kapazitätserhaltung von 51,1 % als 40,3 % des CoNi2@rGO beibehalten, wobei die Stromdichte um das Zehnfache erhöht wird. Daher diffundiert es Ionen während des GCD-Prozesses schneller als CoNi2@rGO durch den Elektrolyten (Abb. 3E). Die Zyklenstabilität ist der wesentliche charakteristische Parameter für die Untersuchung der Leistung von Superkondensatoren. Abbildung 3F zeigt die anfängliche spezifische Kapazität von 89,3 % von NiTe2-Co2Te2@rGO, die nach 3000 aufeinanderfolgenden GCDs bei einer Stromdichte von 10 A g−1 in 1,0 M KOH erhalten bleibt. Das Ergebnis bestätigt die gewünschte Stabilität, allerdings kam es aufgrund der Zerstörung von NCH/PrGO und dem Verlust seiner aktiven Zentren zu einer Verringerung der spezifischen Kapazität. Tabelle S1 zeigt, dass die NiTe2-Co2Te2@rGO-Elektrode eine bessere spezifische Kapazität aufweist als kürzlich berichtete verwandte Elektrodenmaterialien.

Zur Untersuchung der Widerstandseigenschaften der Elektrodenmaterialien wurde eine elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)-Analyse durchgeführt. Die EIS von NiTe2-Co2Te2@rGO und CoNi2@rGO wurden bei 100 kHz–100 MHz in 1,0 M KOH getestet (Abb. 4). Im Hochfrequenzbereich scheint der Halbkreis auf den Ladungsübertragungsprozess zurückzuführen zu sein, und die vertikale Linie im Niederfrequenzbereich entspricht der Diffusion der Ionen an den Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt. Das Nyquist-Diagramm von NiTe2-Co2Te2@rGO zeigt eine Neigung von nahezu 90°, was die Beweglichkeit der schnellen Ionen zwischen Elektrode und Elektrolyt verdeutlicht. Die NiTe2-Co2Te2@rGO-Kurve wurde mit der Z-View-Software an das Randles-Schaltungsmodell und den entsprechenden Ersatzschaltkreis in Abb. 4 angepasst. Alle Parameter zur Untersuchung der Diffusion der Elektrolyte auf der Elektrodenoberfläche, einschließlich W0 (Warburg Element), CPE-P (Exponent mit konstantem Phasenwinkel), CPE-T (Pseudokapazität), Rs (Lösungswiderstand) und Rct (Ladungsübertragungswiderstand) sind in Tabelle 133 aufgeführt. W0 kann in drei Komponenten unterteilt werden: W –R (Ohmscher Widerstand), W–T (Diffusionszeitkonstante) und W–P (Warburg-Phasenexponent). Dementsprechend weist NiTe2-Co2Te2@rGO aufgrund der schnellen Ionendiffusionskinetik und der elektronischen Leitfähigkeit den niedrigsten Ladungsübertragungswiderstand auf. Darüber hinaus weist es die niedrigsten WR- und WT-Werte auf, was eine geringere kürzere Ionendiffusion und einen geringeren Ohmschen Widerstand verdeutlicht. Diesen elektrochemischen Analysen zufolge weist die NiTe2-Co2Te2@rGO-Elektrode eine hervorragende Leistung auf und kann in Superkondensatoren verwendet werden.

Nyquist-Diagramme der CoNi2@rGO- und NiTe2-Co2Te2@rGO-Elektroden von 100 kHz bis 100 MHz bei Leerlaufpotential (Einschub: Ersatzschaltbild).

Die Aktivkohle wurde als negative Elektrode und NiTe2-Co2Te2@rGO als positive Elektrode verwendet, um ein Hybrid-Superkondensator-Gerät (HSC) mit 1,0 M KOH herzustellen. Abbildung 5A zeigt die CV-Kurven von Aktivkohle und NiTe2-Co2Te2@rGO in einem Drei-Elektroden-System zur Bewertung eines stabilen Arbeitspotentials der negativen und positiven Elektroden bei Abtastraten von 20 mV s−1. Die Arbeitsspannung des NiTe2-Co2Te2@rGO//AC HSC-Geräts wurde mit CV- und GCD-Kurven bei verschiedenen Spannungsfenstern untersucht (Abb. 5B, C). Sowohl CV- als auch GCD-Kurven zeigen, dass die Arbeitsspannung dieses Geräts für weitere elektrochemische Messungen 0–1,6 V beträgt. Die CVs wurden mit unterschiedlichen Scanraten (10–90 mV s−1) durchgeführt. Die Form des CV bestätigte das kapazitive Verhalten sowohl der elektrischen Doppelschichtkapazität als auch der Pseudokapazität (Abb. 5D). Die GCD-Kurven des HSC-Geräts wurden bei 1 bis 10 A g−1 durchgeführt. Die spezifische Kapazität wurde mit 64 mAh g−1 bei 1 A g−1 berechnet und die Retention des NiTe2-Co2Te2@rGO//AC HSC-Geräts betrug ~ 63 % (41 F g−1) bei 10 A g−1 ( Abb. 5E). Daher offenbart die Hochgeschwindigkeitsfähigkeit die schnellen kinetischen Eigenschaften dieses Geräts.

Elektrochemische Leistungsmessungen im HSC-Gerät: (A) CV-Kurven der Aktivkohle- und NiTe2-Co2Te2@rGO-Elektroden bei einer Abtastrate von 20 mV s−1 in einem Drei-Elektroden-System in 1,0 M KOH, (B) CV-Kurven bei verschiedene Potentialfenster (0,2–1,6 V) bei einer Scanrate von 20 mV s−1, (C) GCD-Kurven bei verschiedenen Potentialfenstern (0,2–1,6 V) bei einer Stromdichte von 1,0 A g−1, (D) CV Kurven bei verschiedenen Scanraten (10–90 mV s−1), (E) GCD-Kurven bei verschiedenen Stromdichten (1–10 A g−1) und (F) Zyklenleistung bei 10 A g−1 des NiTe2- Co2Te2@rGO HSC-Gerät.

Die Stabilität des NiTe2-Co2Te2@rGO//AC HSC-Geräts wurde durch Konsequenz-GCD-Zyklen bei 10 A g−1 getestet. Die spezifische Kapazität des NiTe2-Co2Te2@rGO//AC HSC-Geräts sinkt nach 3000 GCD-Zyklen um etwa ~ 18 % seines Anfangswerts. Aufgrund der vielen harten Redoxreaktionen verlor das HSC-Gerät nach 3000 Zyklen allmählich seine Kapazitätsleistung (Abb. 5F). Die Energiedichte und Leistungsdichte wurden aus GCD-Kurven bei unterschiedlichen Stromdichten ermittelt, und das Ragone-Diagramm ist in Abb. 6A dargestellt. Das hergestellte HSC-Gerät lieferte eine maximale Energiedichte von 51 Wh·Kg−1 bei einer Leistungsdichte von 800 W·Kg−1. Das Gerät behielt auch die Energiedichte von 32 Wh·Kg−1 bei, als die Leistungsdichte auf 8000 W·Kg−1 anstieg. Darüber hinaus zeigen die Energiedichte und Leistungsdichte dieses Geräts im Vergleich zu anderen verwandten HSCs die großartige Leistung dieses Geräts. Drei in Reihe geschaltete Montagegeräte könnten in der Lage sein, eine gelbe und zwei rote LEDs (8 mm) parallel sowie eine blaue LED (8 mm) für 20 bzw. 14 Minuten zum Leuchten zu bringen (Abb. 6B).

(A) Ragone-Diagramm des NiTe2-Co2Te2@rGO//AC-HSC-Geräts im Vergleich zu anderen Te-basierten//AC-HSC-Geräten18,22,34,35,36,37 und (B) Die gelben und zwei roten LEDs (8 mm). ) parallel geschaltet und eine blaue LED (8 mm), die von drei NiTe2-Co2Te2@rGO//AC HSC-Geräten eingeschaltet wird.

Zunächst wurde GO mit der modifizierten Hummer-Methode38 synthetisiert. 100 mg GO wurden zu 50 ml entionisiertem Wasser gegeben und 1 Stunde lang mit Ultraschall behandelt, um eine gleichmäßige Suspension (180 kW) zu erhalten. Anschließend wurde die erhaltene Suspension 15 Minuten lang bei einer Geschwindigkeit von 2500 U/min zentrifugiert und die überstehende Lösung abgetrennt. 1,6 mmol Ni(NO3)2·6H2O und 0,8 mmol Co(NO3)2·6H2O wurden zur überstehenden Lösung gegeben und 30 Minuten gerührt. Danach wurden der Suspension 10 mmol Harnstoff als Reduktionsmittel zugesetzt und sie wurde 45 Minuten lang gerührt und 15 Minuten lang mit Ultraschall behandelt. Die endgültige Suspension wurde in den 100-ml-Teflon-ausgekleideten Edelstahlautoklaven überführt und 8, 12 und 16 Stunden lang bei 120 °C gehalten. Abschließend wurde das erhaltene Produkt (CoNi2@rGO) 24 Stunden lang gefriergetrocknet.

Im nächsten Schritt wurden 0,7 mmol K2TeO3 in 60 ml entionisiertem Wasser gelöst, 10 ml Hydrazinmonohydrat als Reduktionsmittel zugegeben und dann 6 Stunden lang gerührt. Anschließend wurden 80 mg CoNi2@rGO zu der erhaltenen Lösung gegeben und 1 Stunde lang gerührt. Diese Suspension wurde in den mit Teflon ausgekleideten 100-ml-Edelstahlautoklaven überführt und 8, 12 und 16 Stunden lang bei 120 °C gehalten. Das erhaltene Ni1.055Te2-Co2Te2@rGO wurde in einem Vakuumtrockner 6 Stunden lang bei 60 °C getrocknet (Abb. 7).

Das Syntheseverfahren von NiTe2-Co2Te2@rGO.

Geräte, elektrochemische Messungen, Montage und elektrochemische Messungen der Hybrid-Superkondensatoren (HSCs) werden in den Zusatzinformationen vorgestellt.

In diesem Artikel wurde der erfolgreiche Ansatz zur Synthese von kugelförmigem NiTe2-Co2Te2, das auf rGO wächst, aus CoNi2 über zweistufige hydrothermale Methoden durch Anionenaustauschverfahren vorgestellt. Die optimale Struktur dieses Materials für Superkondensatoranwendungen wurde durch Synthese von NiTe2-Co2Te2@rGO und CoNi2@rGO zu unterschiedlichen Zeiten (6, 12 und 18 Stunden) ausgewählt, wobei 12 Stunden als Reaktionszeit ausgewählt wurden. Verschiedene Charakterisierungsmethoden wie XRD, XPS, FE-SEM, EDS, Elementkartierung und TEM wurden verwendet, um die physiochemischen Eigenschaften von NiTe2-Co2Te2@rGO aufzudecken. Darüber hinaus wurde das elektrochemische Verhalten dieser Elektrode mittels CV, GCD und EIS analysiert, was zeigt, dass diese Struktur zahlreiche aktive Stellen freilegt und Redoxreaktionen beschleunigt werden können, was den Energiespeichereffekt weiter verbessert und die Effizienz der Energiespeicherung steigert. Darüber hinaus wurde der Hybrid-Superkondensator auf NiTe2-Co2Te2@rGO (als positive Elektrode) und Wechselstrom (als negative Elektrode) aufgebaut, was zu einer spezifischen Kapazität von 64 mAh g−1 mit einer hohen Energiedichte von 51 W·h·kg− führte 1 und einer Leistungsdichte von 800 W kg−1. Die hervorragende elektrochemische Leistung bestätigt das Potenzial von NiTe2-Co2Te2@rGO als aktives Material für HSCs für zukünftige Energiespeichersysteme in elektronischen Geräten und Fahrzeugen. Schließlich zielt diese Arbeit darauf ab, die Perspektive von Übergangsmetalltellurid für die Anwendung in Energiespeichersystemen aufzuzeigen.

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

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Fakultät für Chemie, Technische Universität Isfahan, Isfahan, 84156-83111, Iran

Maziar Farshadnia, Ali A. Ensafi, Kimia Zarean Mousaabadi und Behzad Rezaei

Abteilung für Chemie und Biochemie, University of Arkansas, Fayetteville, AR, 72701, USA

Ali A. Ensafi

Abteilung für Chemieingenieurwesen, Universität Osmaniye Korkut Ata, Osmaniye, Türkei

Muslim Demir

Tubitak Marmara Research Center, Material Institute, Gebze, 41470, Türkei

Muslim Demir

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MF: Konzeptualisierung, Methodik und Untersuchung. AAE: Überwachung, Konzeptualisierung, Datenkuration, Validierung, schriftliche Überprüfung und Bearbeitung. KZM: Konzeptualisierung und Schreiben – Originalentwurf. BR: Berater und Validierung. MD: Durchführung und Analyse der XPS-Daten, Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Ali A. Ensafi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Farshadnia, M., Ensafi, AA, Mousaabadi, KZ et al. Einfache Synthese des NiTe2-Co2Te2@rGO-Nanokomposits für einen Hochleistungs-Hybrid-Superkondensator. Sci Rep 13, 1364 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28581-5

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Eingegangen: 15. November 2022

Angenommen: 20. Januar 2023

Veröffentlicht: 24. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28581-5

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