Concha coaxial de CuO / nanofibra de carbono hierarquicamente mesoporosa

Oct 11, 2023

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 9754 (2015) Citar este artigo

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Nanofios de núcleo coaxial de CuO / nanofibra de carbono hierarquicamente mesoporosos (CuO / CNF) como ânodos para baterias de íon de lítio foram preparados revestindo o Cu2 (NO3) (OH) 3 na superfície de CNF condutivo e elástico por meio de deposição eletroforética (EPD), seguido de tratamento térmico ao ar. O invólucro de CuO empilhado com nanopartículas cresce radialmente em direção ao núcleo CNF, que forma uma estrutura coaxial tridimensional (3D) hierarquicamente mesoporosa com espaços internos abundantes no invólucro de CuO empilhado com nanopartículas. As cascas de CuO com abundantes espaços internos na superfície do CNF e alta condutividade do CNF 1D aumentam principalmente a capacidade da taxa eletroquímica. O núcleo CNF com elasticidade desempenha um papel importante na supressão forte da expansão do volume radial pelo invólucro inelástico de CuO, oferecendo o efeito de buffer. Os nanofios de CuO / CNF fornecem uma capacidade inicial de 1150 mAh g-1 a 100 mA g-1 e mantêm uma alta capacidade reversível de 772 mAh g-1 sem mostrar decaimento óbvio após 50 ciclos.

Os óxidos de metais de transição eletricamente ativos (MxOy, M = Ni, Co, Cu, Fe, Mn), como o CuO, têm atraído muita atenção como materiais anódicos para substituir o grafite em baterias de íon de lítio (LIB) devido à sua alta capacidade reversível teórica (674 mAh g−1) com base em seu mecanismo de conversão único, (MO + 2Li+ + 2e− = Li2O + M), baixo custo do material, estabilidade química, não toxicidade e abundância1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11. No entanto, o CuO tem em sua maioria cinética pobre e capacidade instável durante a ciclagem, principalmente por causa da baixa condutividade e da pulverização devido à grande expansão de volume durante a ciclagem, levando ao rápido desvanecimento da capacidade8,9,10,11. Para superar esses problemas, o CuO foi projetado em uma variedade de morfologias, como matrizes de nanofios12, nanogaiolas13, compósitos CuO/grafeno10, compósitos CuO/CNT9, nanofios compósitos CuO/carbono14 e outras pesquisas recentes15,16,17,18,19,20. ,21,22,23. No entanto, é difícil controlar adequadamente a diminuição da capacidade pela expansão do volume de CuO litiado.

A estratégia eficaz para aumentar o desempenho dos materiais anódicos depende profundamente da modificação da morfologia. Melhores compósitos nanoestruturados levam a melhor desempenho eletroquímico com boa estabilidade estrutural, alta área superficial com alta mesoporosidade, bom contato elétrico entre eletrodo e eletrólito e maior condutividade elétrica. A deposição eletroforética (EPD) usada neste estudo como meio de preparar excelentes compósitos nanoestruturados é uma técnica sintética fácil para revestir nanopartículas de Cu2(NO3)(OH)3 da solução de Cu(NO3)2 etanol na superfície de CNFs como um cátodo sob campo elétrico aplicado24,25,26. Esta técnica útil é notavelmente única e nova que não foi conduzida anteriormente para o sistema CuO/CNF. Sob um campo elétrico aplicado, os íons carregados em uma solução movem-se em direção ao eletrodo de carga oposta pelo fenômeno eletroforese. Depois que os íons carregados se acumulam no eletrodo, eles se depositam como estruturas adequadas, controlando a taxa de transferência de massa. O eletrodo depositado faz a cristalização por um processo de tratamento térmico. O método EPD oferece nanofios de núcleo coaxial de CuO / CNF hierarquicamente porosos 3D. O invólucro de CuO com espaços internos abundantes oferece excelente capacidade de taxa. As estruturas mesoporosas com espaços internos abundantes permitem que o eletrólito acesse facilmente o material do ânodo CuO. Sem o papel do núcleo CNF, a compressão radial pelo CuO litiado durante o ciclo resulta em grande expansão de volume. O óxido metálico como o CuO representa a natureza inelástica, enquanto o CNF apresenta a característica elástica com alto módulo de elasticidade . Durante o ciclismo, o núcleo elástico do CNF desempenha um papel importante na proteção da expansão do volume junto com a compressão radial do revestimento de CuO litiado, criando o efeito de amortecimento. Além disso, o núcleo condutor do CNF com via 1D facilita a transferência de elétrons, levando à melhoria da transferência de carga.