Doppio Ni/Co

Jun 17, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12422 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio, abbiamo condotto la sintesi diretta di una doppia struttura metallo-organica (Ni/Co-Emina MOF) su ossido di grafene ridotto drogato con fosforo (PrGO) per fungere da materiale attivo in supercondensatori asimmetrici ad alte prestazioni. Il nanocomposito è stato utilizzato come materiale attivo nei supercondensatori, esibendo una capacità specifica degna di nota di 963 C g−1 a 1,0 A g−1, insieme a una capacità ad alta velocità del 68,3% aumentando la densità di corrente di 20 volte e un ciclaggio superiore stabilità. I nostri esperimenti completi di caratterizzazione e controllo hanno indicato che il miglioramento delle prestazioni può essere attribuito all’effetto combinato del doppio MOF e della presenza di fosforo, che influenza il comportamento del supercondensatore di tipo batteria di GO. Inoltre, abbiamo fabbricato un supercondensatore ibrido asimmetrico (AHSC) utilizzando schiuma Ni/Co-Emina/PrGO/nichel (NF) e carbone attivo (AC)/NF. Questo AHSC ha dimostrato una capacità specifica di 281 C g−1 a 1,0 A g−1, una tensione operativa di 1,80 V, un'impressionante densità di energia di 70,3 Wh kg−1 con un'elevata densità di potenza di 0,9 kW kg−1. In particolare, tre dispositivi AHSC collegati in serie hanno alimentato con successo un orologio per circa 42 minuti. Questi risultati evidenziano la potenziale applicazione dei MOF basati su emina nei sistemi avanzati di supercondensatori.

L'energia è considerata la materia scientifica più critica del ventunesimo secolo1,2. Per sopravvivere sulla Terra, l’energia rinnovabile è essenziale per ridurre le emissioni di gas serra e l’inquinamento atmosferico3. Pertanto, le nuove tecnologie di generazione di energia come quella solare4, quella eolica5 e le celle a combustibile6 richiedono dispositivi per immagazzinare energia. Le batterie agli ioni di litio e i supercondensatori sono i due principali sistemi di accumulo dell’energia elettrica. Si sono sviluppati nel corso degli anni per dispositivi portatili e implementazioni di reti intelligenti7. I supercondensatori possono immagazzinare una grande quantità di carica rispetto ai condensatori convenzionali, fornire energia rapidamente, hanno capacità di ricarica rapida, hanno una lunga durata, offrono prestazioni superiori a bassa temperatura, sono ecologici e hanno costi bassi. Inoltre, a differenza delle batterie, non esplodono anche se sovraccaricate8,9,10,11.

D'altra parte, il grafico di Ragone12 illustra l'importanza dei supercondensatori per la loro elevata densità di potenza specifica. Inoltre, la capacità nei supercondensatori è influenzata dalla resistenza in serie equivalente e dai materiali dell'elettrodo e dell'elettrolita e influisce sulla tensione operativa13,14. Pertanto, per ottenere le migliori prestazioni, un supercondensatore deve avere un'elevata capacità, un'elevata tensione operativa e una bassa resistenza15. Da questi, il materiale dell'elettrodo, tra tutti i parametri, gioca un ruolo essenziale nello sviluppo delle prestazioni del supercondensatore15. In altre parole, i dispositivi ibridi a supercondensatore sono cruciali per il progresso dei sistemi di accumulo di energia elettrochimica in grado di offrire un’elevata capacità di accumulo di energia a bassi costi operativi16.

Uno di questi materiali per elettrodi che sembra efficace sono i MOF, materiali ibridi porosi costituiti da ioni metallici o cluster metallici coordinati con linker organici17,18,19. Strutture di questo tipo offrono i seguenti vantaggi: elevata superficie interna, elevata porosità, adattabilità strutturale e chimica e buona stabilità. Inoltre, i MOF possono essere controllati in termini di porosità a causa dell'uniformità dei pori e della struttura, dimensione, geometria, funzionalità e flessibilità nella topologia di rete a livello atomico20,21. Ma la maggior parte dei MOF incontaminati sono cattivi conduttori22,23. Per superare questa carenza, una delle strategie più comuni è quella di combinare MOF con materiali di carbonio (ossido di grafene ridotto e nanotubi di carbonio) o polimeri conduttivi (polipirrolo e polianilina)24. Inoltre, l’incorporazione di ossido di grafene ridotto (rGO) nei compositi può servire come mezzo efficace per impedire l’aggregazione e la ricomposizione del grafene, sia durante il processo di fabbricazione che nell’uso pratico25. L'eccezionale durabilità meccanica e chimica mostrata da rGO lo rende un eccellente materiale per l'impalcatura del componente attivo, che può mitigare efficacemente il degrado strutturale e quindi migliorare la stabilità ciclica del sistema26.