题 目 在泡沫镍上生长NiCo2O4阵列纳米结构： 应用于准电容器的形态学控制外文翻译资料

 2022-11-17 17:06:29

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英文文献翻译

题 目 在泡沫镍上生长NiCo2O4阵列纳米结构：

应用于准电容器的形态学控制

作者

Yangyang Zhang a,b, Jinxing Wang a,b,n, Junhua Ye a,b, Piaopiao Wan a,b, Hongmei Wei a,b,
Shuoqing Zhao a,b, Tengfei Li a,b, Shahid Hussain a,b
a College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China
b National Engineering Research Centre for Magnesium Alloys, Chongqing 400030, China

概述：

有合适形态的电极材料的设计对高性能超级电容器是个重要作用和挑战。在这个研究过程中，可在泡沫镍上通过温和水热法方法轻松控制生长NiCo2O4纳米瓣，纳米层，纳米针和纳米棒阵列。NiCo2O4阵列形态可以通过调整碱的种类和增加NH4F轻松控制。电化学测试显示出NiCo2O4纳米电极在四个样品中有最好的电化学性能，证明了它应用于高性能超级电容器的足够潜力。有关NiCo2O4电极材料的形态控制和形态与其相应电化学性质之间关系的研究为增强超级电容器电极的性能提供了策略。

1：简介

电化学电容器，也被称为超级电容器，因为它们的高能量密度、高速再充能力和耐久作为最重要的部分存在于电能存储系统中[1-4]。在能量储存机制的基础上，超级电容器可以被划分为电子双层电容（EDLCs），其电容主要来自于在电/电解质界面上的物理电荷积累和涉及到感应电流的氧化还原反应的准电容器[5]。与EDLCs相比，准电容器具有更高的特异性电容和能量密度 [6] 。已经研究了各种材料包括过渡金属氧化/氢氧化物[7-9]，金属硫化物[10-11]和导电聚合物[12]准电容器电极材料。其中,三元镍辉钴矿（NiCo2O4）由于由于其成本低，高电子传导性、多重可转换价态和优秀的电化学活性[3]最近已被研究应用于准电容领域。电极作为影响超级电容器电化学性能的关键部件，它的设计对于制造高性能超级电容器是非常重要的。之前的研究已经证明了由混合活性材料和粘合剂的漫长过程引起的“惰性表面”是可以通过直接在泡沫镍上生长电极材料来避免的[13]。在这种情况下，每一种活性材料的结构将与电流收集器保持密切联系，在收集器上相邻的微结构之间有大量的开放空间可以促进有效的电荷交换和电解液渗透 [14]。

到目前为止，各种各样的NiCo2O4结构包括纳米粒子[15]，纳米线[16]，纳米花[17]，纳米片阵列[18]和纳米针阵列[19]已经准备好了。据报道，NiCo2O4的电化学性能对形态学有很高的依赖[13,14,20]。Dubal等人总结了具有不同神秘结构的NiCo2O4纳米材料应用为超电容器的电极材料[21]。朱等人报告了在1A g-1[ 22]中特定电容为987 F g-1的介孔NiCo2O4中空亚微球。高等人合成了网状物，如在1A g-1中特殊电容为1843.3 F g-1的的柔性碳布上合成介孔的NiCo2O4阵列。人们普遍认为有层次结构和多孔结构的电极材料由于其有较大的特定表面积、电极和电解质之间的密切接触，更短的电解液离子扩散路径，良好的结构稳定性可表现出良好的电化学性能[24,25]。然而，对于泡沫镍上NiCo2O4阵列的形态探索和纳米结构与相应的电化学特性之间的关系还没有得到详尽研究。

表格 1

泡沫镍上不同NiCo2O4阵列与相应的电化学特性的总结

样品

Ni(NO3)bull;6H2O (mmol)

Co(NO3)2bull;6H2O (mmol)

Hexamethylenetetramine (mmol)

Urea(mmol)

NH4F(mmol)

纳米瓣

1

2

12

0

0

纳米片

1

2

12

0

6

纳米针

1

2

0

12

0

纳米棒

1

2

0

12

6

在这项工作中，一系列等级具有不同的形态的NiCo2O4阵列纳米结构（纳米粒子，纳米表，

纳米棒，纳米棒）被合成了，可以通过改变碱的来源和增加NH4F的方式来控制。

电化学测量表明，不同的形态会导致不同的电化学性能并且泡沫镍上的NiCo2O4纳米针阵列展示了最佳电化学性能。

2、实验：

2.1 材料合成

泡沫镍上的分层NiCo2O4纳米瓣，纳米片，纳米管和纳米棒阵列是通过一个简单的水热合成路线随后进行热处理制备出来。在合成之前，Ni泡沫（3*1.50*1厘米）被丙酮，2 M HCl溶液，乙醇和去离子水用声波降解法依次清洗15分钟。一个泡沫镍上NiCo2O4纳米针阵列的典型准备过程采用如下方法：1 mmol Ni（NO3）2bull;6H2O和2 mmol Co（NO3）2bull;6H2O

溶解在30毫升的去离子水里形成透明的粉红色溶液，然后在搅拌过程中加入12摩尔的尿素。

搅拌30分钟后，混合物被转移到50毫升容积聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中。预处理的泡沫镍浸没在反应溶液中，然后密封。的高压

然后高压釜在120度的温度下加热6 h，再冷却到室温。

结果的阵列样品用去离子水和乙醇清洗多次，然后以60度的温度烘干24小时，最后，干燥的样品在400度被进一步退火3 h来获得NiCo2O4阵列。NiCo2O4纳米瓣，纳米片和纳米棒阵列样品用类似的方法合成。相应的合成条件列举在表1中。

2.2 材料测定方法

制备出的NiCo2O4阵列样品晶体结构和形态

通过x射线衍射（XRD，D/max-1200 X Cu Kalpha;辐射），场发射扫描电子显微镜（SEM，jsm-7800f）和传输电子显微镜（TEM、Zeiss、Libra200）测定。

2.3 电化学测定

电化学测量是在三电极电化学工作站（RST 5100 F，郑州）中用铂片和Hg/HgO作为反电极和相对的参考电极。预制备好的泡沫镍上的NiCo2O4阵列直接作为工作电极，2 M KOH水溶液被用作电解液。循环伏安法（CV）曲线在不同的扫描速度下出现在0和0.6 V之间的电势范围。恒电流放电（GCD）的过程在不同电流密度下的0-0.55 V的电势视窗中进行了测算。电化学阻抗谱（EIS）测量在0.01赫兹到100 kHz频率范围内应用5 mV的电势振幅。根据以下公式从GCD曲线中计算出了电极的特定电容容量。

式中C（F g-1）是特定电容，I（A）是放电电流，m（g），t（s）和Delta;v（V）分别代表了在放电期间电极材料质量，放电时间，和电势下降。

3、结果和结论

3.1 合成物和结构分析

图1显示了泡沫镍上NiCo2O4纳米瓣、纳米片、纳米线和纳米棒阵列的制备工艺，。仅仅通过改变碱源的种类和增加NH4F，在泡沫镍上合成了依图2所示，4种不同形态的NiCo2O4。当碱源是环六亚甲基四胺（HMTA）并且不添加NH4F时，NiCo2O4纳米瓣均匀地生长在泡沫镍上，形成高度对齐的纳米瓣阵列（图2a-d）。加入NH4F后，互相交错、留下了大量通道的纳米片阵列（图2e-h）开始在泡沫镍上生长，这些通道可以作为离子传递路径来促进电解液离子的扩散。当我们保持其他反应条件不变，仅仅是用尿素代替了HMTA时

从图2i-l和图2 m-p可见，在泡沫镍上获得了纳米针阵列（没有NH4F）和纳米棒阵列（有NH4F）。我们应该注意到，在控制NiCo2O4的形态上，碱源起着关键作用。当HMTA被添加作为碱源时，可获得定义良好的二维单元结构NiCo2O4阵列（纳米瓣和纳米薄片），这个过程可以用下面的方程描述[26]：

当HMTA被尿素取代时，可以合成一维棒类NiCo2O4阵列（纳米针和纳米棒）。整个反应过程可能是通过以下反应[27、28]：

从上面不同的分解方程中，可以看到CO32-对一维棒类NiCo2O4的形成有重要的影响。随着HMTA作为碱水解剂，Ni2 、Co 离子与CO32-、OH-形成了二维片类双金属（Ni，Co）氢氧根阵列结构[29]。然而，当HMTA被尿素取代作为水解剂时，Ni2 ，Co 离子与CO32-和OH-形成一种单维棒类双金属（镍，Co）碳酸氢盐阵列结构[28,30]。退火后, 可以很容易地在泡沫镍上获得不同的NiCo2O4 阵列而没有明显的形态学改变。

图2b，f，j，n展示了从侧面观察到的NiCo2O4纳米瓣，纳米片，纳米针和纳米棒阵列的扫描图像。它们的高度分别是1.3、2.2、1.9、2.5微米。很明显,在NH4F存在的情况下，NiCo2O4阵列有更大的高度。可以看出，NH4F在控制产品的形态方面也起着关键作用。引入NH4F可以促进NiCo2O4阵列生长到更大的尺寸。添加NH4F后，彼此分离的NiCo2O4纳米瓣变成了更大的纳米薄片，并且在更大范围内相互交

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