듀얼 Ni/Co

Jun 17, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12422(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 고성능 비대칭 슈퍼커패시터의 활성 물질 역할을 하기 위해 인이 도핑된 환원 그래핀 산화물(PrGO) 위에 이중 금속-유기 골격체(Ni/Co-Hemin MOF)를 직접 합성했습니다. 나노복합체는 슈퍼커패시터의 활성 물질로 활용되었으며, 전류 밀도를 20배 증가시켰을 때 68.3%의 높은 속도 성능과 함께 1.0 A g−1에서 963 C g−1의 주목할만한 비축전용량을 나타냈습니다. 안정. 우리의 포괄적인 특성화 및 제어 실험은 향상된 성능이 이중 MOF와 인의 존재가 결합된 효과에 기인하여 GO의 배터리 유형 슈퍼커패시터 동작에 영향을 미칠 수 있음을 나타냅니다. 또한 Ni/Co-Hemin/PrGO/니켈 폼(NF)과 활성탄(AC)/NF를 사용하여 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터(AHSC)를 제작했습니다. 이 AHSC는 1.0 A g−1에서 281 C g−1의 비정전용량, 1.80 V의 작동 전압, 0.9 kW kg−1의 높은 전력 밀도에서 70.3 Wh kg−1의 인상적인 에너지 밀도를 보여주었습니다. 특히 직렬로 연결된 3개의 AHSC 장치는 약 42분 동안 시계에 전원을 공급하는 데 성공했습니다. 이러한 발견은 고급 슈퍼커패시터 시스템에서 Hemin 기반 MOF의 잠재적인 적용을 강조합니다.

에너지는 21세기의 가장 중요한 과학 주제로 간주됩니다1,2. 지구에서 생존하려면 온실가스 배출과 대기오염을 줄이는 재생에너지가 필수적입니다3. 따라서 태양광4, 풍력5, 연료전지6와 같은 새로운 에너지 생성 기술에는 에너지를 저장하는 장치가 필요합니다. 리튬 이온 배터리와 슈퍼커패시터는 두 가지 주요 전기 에너지 저장 시스템입니다. 이는 휴대용 장치와 스마트 그리드 배포를 위해 수년에 걸쳐 개발되었습니다7. 슈퍼커패시터는 기존 커패시터에 비해 많은 양의 전하를 저장할 수 있고, 에너지를 빠르게 전달할 수 있으며, 충전 능력이 빠르고, 수명이 길며, 저온 성능이 우수하고, 친환경적이며, 가격이 저렴하다. 게다가 배터리와 달리 과충전되어도 폭발하지 않습니다8,9,10,11.

반면, Ragone 플롯12은 높은 특정 전력 밀도에서 슈퍼커패시터의 중요성을 보여줍니다. 게다가, 슈퍼커패시터의 커패시턴스는 등가 직렬 저항, 전극 및 전해질 재료의 영향을 받고 작동 전압에 영향을 미칩니다. 따라서 슈퍼커패시터의 최상의 성능을 위해서는 높은 정전용량, 높은 작동 전압 및 낮은 저항이 필요합니다15. 이들 중에서 전극 재료는 모든 매개변수 중에서 슈퍼커패시터 성능을 개발하는 데 필수적인 역할을 합니다. 즉, 하이브리드 슈퍼커패시터 장치는 낮은 운영 비용으로 높은 에너지 저장 용량을 제공할 수 있는 전기화학적 에너지 저장 시스템의 발전에 매우 중요합니다.

효과적인 것으로 보이는 이러한 전극 재료 중 하나는 유기 링커17,18,19에 배위된 금속 이온 또는 금속 클러스터로 구성된 다공성 하이브리드 재료인 MOF입니다. 이러한 유형의 구조는 높은 내부 표면적, 높은 다공성, 구조적 및 화학적 조정 가능성, 우수한 안정성 등의 장점을 제공합니다. 게다가 MOF는 기공 균일성과 원자 수준 구조, 치수, 기하학, 기능성 및 네트워크 토폴로지의 유연성으로 인해 다공성 측면에서 제어될 수 있습니다. 그러나 대부분의 깨끗한 MOF는 열악한 도체입니다. 이러한 결함을 극복하기 위해 가장 일반적인 전략 중 하나는 MOF를 탄소 재료(환원된 산화 그래핀 및 탄소 나노튜브) 또는 전도성 고분자(폴리피롤 및 폴리아닐린)와 결합하는 것입니다. 또한, 복합재에 환원된 그래핀 산화물(rGO)을 포함시키는 것은 제조 과정과 실제 사용 모두에서 그래핀의 응집과 재적층을 방해하는 효과적인 수단으로 작용할 수 있습니다. rGO가 나타내는 탁월한 기계적 및 화학적 내구성은 활성 성분을 위한 우수한 발판 재료로, 구조적 저하를 효과적으로 완화하여 시스템의 순환 안정성을 향상시킬 수 있습니다.