Ni/Co duplo

Jun 17, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12422 (2023) Citar este artigo

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Neste estudo, conduzimos a síntese direta de uma estrutura dupla metal-orgânica (Ni / Co-Hemin MOF) em óxido de grafeno reduzido dopado com fósforo (PrGO) para servir como material ativo em supercapacitores assimétricos de alto desempenho. O nanocompósito foi utilizado como material ativo em supercapacitores, exibindo uma capacitância específica notável de 963 C g-1 a 1,0 A g-1, juntamente com uma capacidade de alta taxa de 68,3% ao aumentar a densidade de corrente em 20 vezes, e ciclagem superior estabilidade. Nossos experimentos abrangentes de caracterização e controle indicaram que o desempenho aprimorado pode ser atribuído ao efeito combinado do MOF duplo e à presença de fósforo, influenciando o comportamento do supercapacitor tipo bateria do GO. Além disso, fabricamos um supercapacitor híbrido assimétrico (AHSC) usando espuma Ni/Co-Hemin/PrGO/Níquel (NF) e carvão ativado (AC)/NF. Este AHSC demonstrou uma capacitância específica de 281 C g-1 a 1,0 A g-1, uma tensão operacional de 1,80 V, uma densidade de energia impressionante de 70,3 Wh kg-1 a uma alta densidade de potência de 0,9 kW kg-1. Notavelmente, três dispositivos AHSC conectados em série alimentaram com sucesso um relógio por aproximadamente 42 min. Essas descobertas destacam a aplicação potencial de MOFs baseados em Hemin em sistemas avançados de supercapacitores.

A energia é considerada o tema científico mais crítico do século XXI1,2. Para sobreviver na Terra, as energias renováveis ​​são essenciais para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa e a poluição atmosférica3. Assim, as novas tecnologias de geração de energia, como a solar4, a eólica5 e as células de combustível6, requerem dispositivos para armazenar energia. Baterias de íon-lítio e supercapacitores são os dois principais sistemas de armazenamento de energia elétrica. Eles foram desenvolvidos ao longo dos anos para dispositivos portáteis, bem como para implantações de redes inteligentes7. Os supercapacitores podem armazenar uma grande quantidade de carga em comparação com os capacitores convencionais, fornecer energia rapidamente, ter capacidade de carregamento rápido, ter uma vida útil longa, oferecer desempenho superior em baixas temperaturas, são ecologicamente corretos e têm custos baixos. Além disso, diferentemente das baterias, elas não explodem mesmo quando sobrecarregadas8,9,10,11.

Por outro lado, o gráfico de Ragone12 ilustra a importância dos supercapacitores em sua alta densidade de potência específica. Além disso, a capacitância nos supercapacitores é influenciada pela resistência em série equivalente e pelos materiais dos eletrodos e eletrólitos e afeta a tensão de operação . Portanto, para o melhor desempenho de um supercapacitor, ele precisa possuir alta capacitância, alta tensão de operação e baixa resistência15. Destes, o material do eletrodo, entre todos os parâmetros, desempenha um papel essencial no desenvolvimento do desempenho do supercapacitor . Em outras palavras, os dispositivos supercapacitores híbridos são cruciais para o avanço dos sistemas de armazenamento de energia eletroquímica que podem oferecer alta capacidade de armazenamento de energia com baixo custo operacional16.

Um desses materiais de eletrodo que parece eficaz são os MOFs, materiais híbridos porosos que consistem em íons metálicos ou aglomerados metálicos coordenados com ligantes orgânicos . Estruturas deste tipo oferecem as seguintes vantagens: elevada área superficial interna, alta porosidade, ajustabilidade estrutural e química e boa estabilidade. Além disso, os MOFs podem ser controlados em termos de porosidade devido à uniformidade dos poros e estrutura, dimensão, geometria, funcionalidade e flexibilidade em nível atômico na topologia da rede . Porém, a maioria dos MOFs originais são maus condutores . Para superar essa deficiência, uma das estratégias mais comuns é combinar MOFs com materiais de carbono (óxido de grafeno reduzido e nanotubos de carbono) ou polímeros condutores (polipirrol e polianilina)24. Além disso, a incorporação de óxido de grafeno reduzido (rGO) em compósitos pode servir como um meio eficaz de impedir a agregação e o reempilhamento do grafeno, tanto durante o processo de fabricação quanto no uso prático . A excepcional durabilidade mecânica e química exibida pelo rGO torna-o um excelente material de andaime para o componente ativo, que pode efetivamente mitigar a degradação estrutural e, assim, aumentar a estabilidade cíclica do sistema26.