Síntese controlável da esfera

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14413 (2022) Citar este artigo

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A fabricação de materiais de eletrodos de armazenamento de energia com alta capacitância específica e capacidade de carga-descarga rápida tornou-se uma questão essencial e de grande preocupação nos últimos anos. No presente trabalho, sulfeto de níquel (NiS) livre de aglutinante interligado em forma de esfera, crescido na superfície de uma espuma de níquel tridimensional (3DNF) foi fabricado por um método solvotérmico de uma etapa sob condições de síntese otimizadas, incluindo diferentes solventes, quantidades de enxofre e tempos de reação experimentais. Os eletrodos SS-NiS@3DNF-E sem aglutinante fabricados foram caracterizados por uma variedade de técnicas espectroscópicas e microscópicas e posteriormente avaliados quanto ao seu desempenho supercapacitivo eletroquímico comparativo em células de montagem de meia célula. O eletrodo SS-NiS@3DNF-E-3 interconectado interconectado em forma de esfera otimizada mostrou uma excelente capacitância específica de 694,0 F/g em comparação com SS-NiS@3DNF-E-1 (188,0 F/g), SS- NiS@3DNF-E-2 (470,0 F/g) e SS-NiS@3DNF-E-4 (230,0 F/g), bem como excelente estabilidade cíclica de até 88% após 6700 ciclos contínuos de carga e descarga, com um densidade de energia de 24,9 Wh/kg a uma densidade de potência de 250,93 W/kg. Os resultados obtidos demonstram que o eletrodo de NiS@níquel sem ligante interconectado é um potencial candidato para aplicações de armazenamento de energia.

Nos últimos anos, devido ao esgotamento dos combustíveis fósseis, aumento da demanda de energia para aplicações veiculares e crescimento do mercado de pequenos dispositivos eletrônicos, questões ambientais como poluição e mudanças climáticas tornaram-se mais proeminentes1,2. Portanto, a sociedade está se voltando para fontes de energia sustentáveis ​​e renováveis, incluindo energia solar, energia eólica e energia geotérmica1,2,3,4. Essas fontes, no entanto, são limitadas a horários, condições, como sol ou chuva, e locais específicos. Como resultado, as tecnologias de conversão e armazenamento de energia limpa, incluindo baterias, supercapacitores eletroquímicos (ESs) e células de combustível, receberam muita atenção. Essas tecnologias são utilizadas em tablets, smartphones, câmeras e veículos híbridos, e desempenham importante papel como fontes de energia na vida cotidiana1,2,3,4,5,6.

Supercapacitores (SCs) recentemente atraíram muita atenção no campo de energia devido à sua alta densidade de potência, excelente estabilidade cíclica, rápido processo de carga/descarga e baixo custo. Além disso, a disposição de um SC entre uma bateria com alta capacidade de armazenamento de energia e um capacitor tradicional com alta densidade de energia resulta em melhor desempenho eletroquímico em diversas aplicações5,6. Os SEs são empregados em dispositivos que podem armazenar uma quantidade significativa de energia em um curto período, como plataformas híbridas para caminhões e ônibus, turbinas eólicas e sistemas de energia solar renovável, tecnologia de laser pulsado e telefones celulares1,2,6. Os primeiros ESs foram relatados em uma patente registrada por Beaker em 1957, que especificava um capacitor baseado em carbono7 de grande superfície. Os SCs são classificados em três tipos com base no mecanismo de armazenamento de energia: capacitores elétricos de dupla camada (EDLCs), pseudocapacitores e SCs híbridos, que combinam os dois tipos de capacitores. Nos EDLCs, a energia é armazenada por meio de um processo de adsorção/dessorção no qual os íons do eletrodo interagem eletrostaticamente com o eletrólito6,8. Nos pseudocapacitores, a carga é armazenada por meio de uma reação redox que ocorre durante o processo de carga/descarga9,10,11,12. Além disso, os SCs são categorizados como simétricos ou assimétricos com base na configuração do eletrodo quando materiais de eletrodos idênticos ou diferentes são usados8,9,13. O desempenho dos SCs é fortemente influenciado pelos materiais usados ​​nos eletrodos. Materiais à base de carbono, como carvão ativado (AC), grafeno e nanotubos de carbono (CNTs), são utilizados em EDLCs porque possuem um longo ciclo de vida e forte condutividade elétrica, embora sua capacitância seja geralmente baixa1,5. Em contraste, os pseudocapacitores usam principalmente óxidos metálicos (MOs) e polímeros condutores1,5. O óxido de rutênio (RuO2) é o material de eletrodo mais investigado devido à sua alta capacitância específica, longa vida útil e alta condutividade iônica. Seu uso em SC é restrito, porém, devido ao seu alto custo e toxicidade14. Portanto, MOs de transição e seus hidróxidos são usados ​​como materiais alternativos, como óxido de manganês (MnO2), óxido de níquel (NiO), Ni(OH)2, óxido de cobalto (Co3O4), Co(OH)2 e óxido de vanádio (V2O5 )1,2,3,4,14. Devido ao seu baixo custo, ecologia, boa capacitância específica teórica e baixa resistência, esses materiais são úteis para a construção de dispositivos de alta densidade de energia. No entanto, hidróxidos/óxidos de metais de transição sofrem de baixa estabilidade cíclica e baixa condutividade, o que resulta em diminuição do transporte de elétrons e capacidade teórica relativamente baixa2,3. Recentemente, houve um aumento significativo na pesquisa de sulfetos de metais de transição (TMSs), como CoS2, FeS2, MnS, CuS e NiS, como materiais promissores para eletrodos SC8,11,15,16 devido às suas vantagens sobre seus óxidos , como custo-benefício, baixo impacto ambiental, excelente condutividade elétrica, vários estados de valência que fornecem locais para atividade eletroquímica e maior capacitância16. Além disso, a forma, tamanho e morfologia dos materiais de eletrodos à base de sulfeto de metal podem influenciar seu desempenho eletroquímico. Os eletrodos à base de sulfetos e hidróxidos metálicos operam no mecanismo de reação farádica, bem como armazenam energia sobre a superfície do eletrodo por meio de reações redox reversíveis, sendo esta a principal razão pela qual apresentam melhor desempenho eletroquímico do que os capacitores baseados em dupla camada16. Por exemplo, um compósito de MnS com óxido de grafeno reduzido (rGO) foi avaliado para uso em SCs, e esse eletrodo produz longa estabilidade de ciclagem e alta capacitância específica17. α-MnS/N-rGO foi projetado por Quan et al.18 como um material de eletrodo catódico em aplicações SC assimétricas e forneceu uma densidade de energia de 27,7 Wh kg-1 a uma densidade de potência de 800 W kg. O sulfeto de cobre (CuS) tem sido usado como material de eletrodo, mas suas aplicações são limitadas por sua baixa densidade de energia e baixa estabilidade cíclica, que devem ser melhoradas19. Para resolver esses problemas, a introdução de um material de carbono, com alta densidade de potência e boa estabilidade cíclica, na preparação de CuS pode melhorar o desempenho dos SCs20. BoopathiRaja et al.21 afirmaram que um eletrodo composto de CuS/rGO resulta em excelente estabilidade cíclica a longo prazo (retenção de 97%) e exibe uma capacitância de 1604 Fg-1 a uma densidade de corrente de 2 Ag-1. Entre todos os sulfetos à base de metais acima, o NiS em particular tem atraído atenção considerável nos campos de armazenamento de energia, incluindo baterias e SCs, devido às suas excelentes propriedades físicas e químicas e diferentes fases, como Ni7S6, Ni9S8, α-NiS, β-NiS, Ni3S4 e NiS2, a maioria dos quais existem à temperatura ambiente22,23,24. Dentre essas fases, NiS (α-NiS, β-NiS) é a combinação mais estável e rica em enxofre entre as formas de sulfetos de níquel22,23. As fases são afetadas pela temperatura, sendo que o α-NiS com estrutura cristalina romboédrica aparece em baixas temperaturas22, enquanto o β-NiS na forma hexagonal ocorre em altas temperaturas23,24. Portanto, o NiS é escolhido para fins de eletrodo com base em seu diagrama de fases, que mostra uma rica estrutura de enxofre e estabilidade de fase em temperatura normal, que são os principais pontos a serem considerados ao usar o NiS como um material de eletrodo baseado em armazenamento de energia de última geração. Por essas razões, o NiS tem sido usado como um material de eletrodo eficaz devido às suas fortes características, incluindo alta condutividade, estabilidade térmica e expansão volumétrica mais lenta durante o processo de carga-descarga22,24. Poucos trabalhos foram relatados sobre NiS com diferentes morfologias, como o de Bhagwan et al.25, que sintetizou eletrodos de microflores β-NiS (3D) com geometrias hierárquicas usando um método hidrotérmico, que exibiu alta estabilidade cíclica e uma capacitância específica de 1529 F/g. Da mesma forma, Naresh et al.22 prepararam NiS em espuma de níquel por tratamento hidrotérmico e investigaram NiS com diferentes morfologias variando o tempo de reação e estudando seu papel no desempenho capacitivo. Parveen et al.6 relataram que o sulfeto de níquel semelhante a uma flor hierárquica controlada por forma hidrotermicamente sintetizada exibiu uma capacitância específica excelente de 603,9 F/g com uma alta retenção cíclica de 89% em eletrólitos aquosos. Guan et al.16 e Balakrishnan et al.26 sintetizaram NiS tipo microflor através de um método solvotérmico usando Ni(OH)2 como precursores. O eletrodo fabricado forneceu uma capacitância específica de 1122,7 Fg-1 a uma densidade de corrente de 1 Ag-1 e excelente estabilidade cíclica após 100 ciclos. Devido à estrutura instável e teor efetivo de enxofre no sistema NiS, as propriedades eletroquímicas (capacitância, estabilidade cíclica) do NiS em SCs são restritas. Posteriormente, para resolver essas questões, os pesquisadores tentaram sintetizar NiS com diferentes concentrações de enxofre sob diferentes condições e estudar os impactos na morfologia para alcançar um excelente desempenho.