活性炭多金屬氧酸鹽納米銀混合電極

　　混合材料領(lǐng)域和電化學(xué)領(lǐng)域之間的交叉領(lǐng)域是一個(gè)快速擴(kuò)展的領(lǐng)域。混合組合通常由兩種成分組成，但更復(fù)雜、更通用的電活性混合設(shè)計(jì)的新途徑正在迅速出現(xiàn)。目前工作的目的是探索集成多金屬氧酸鹽、銀納米顆粒和活性炭的新型三重混合材料，并展示其作為對(duì)稱超級(jí)電容器中的混合電極的用途。

　　活性炭作為基質(zhì)的碳材料，近幾十年來，活性炭作為低成本電極材料在電化學(xué)儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換裝置(主要是超級(jí)電容器)中的使用受到了特別關(guān)注、鋰和鈉離子電池和燃料電池。除其他方面外，導(dǎo)電性通常對(duì)于活性炭作為電極材料的適用性和性能起著至關(guān)重要的作用。

　　在此，多金屬氧酸鹽簇、納米銀和活性炭材料通過納米工程結(jié)合成單一實(shí)體。制備新型三組分納米雜化材料的策略是將活性炭和多金屬氧酸鹽保護(hù)的納米銀離子結(jié)合起來，使用綠色方法預(yù)合成，其中多金屬氧酸鹽既充當(dāng)還原劑又充當(dāng)穩(wěn)定劑代理人。首先，通過研究反應(yīng)物濃度和所選多金屬氧酸鹽的氧化還原電位對(duì)形成的納米顆粒尺寸的影響，優(yōu)化了銀納米顆粒的合成。然后，銀納米顆粒三組分納米雜化物已制備并充分表征。最后，測(cè)試了納米混合材料的電化學(xué)性能。

　　多金屬氧酸鹽納米銀粒子的合成及形態(tài)表征

　　金屬鹽的還原可以使用先前還原的多金屬氧酸鹽進(jìn)行，其中多金屬氧酸鹽既充當(dāng)還原劑又充當(dāng)穩(wěn)定劑。多金屬氧酸鹽的還原可以通過光化學(xué)、化學(xué)或電化學(xué)來完成。其中，電化學(xué)方法代表了一種綠色、簡(jiǎn)便且可擴(kuò)展的方法。在簡(jiǎn)化的視圖中，銀納米顆粒的合成可以使用以下方程式進(jìn)行勾畫(如圖1a所示)。

　　圖1：(a)多金屬氧酸鹽納米銀的合成示意圖，其中多金屬氧酸鹽同時(shí)充當(dāng)還原劑和穩(wěn)定劑，(b)三組分多金屬氧酸鹽納米銀雜化材料的制備過程。不在規(guī)模上，多金屬氧酸鹽的大小為1nm，納米銀的大小約為27-43nm，具體取決于初始試劑濃度。

　　多金屬氧酸鹽納米銀在活性炭上的物理吸附

　　多金屬氧酸鹽納米銀被納入活性炭中以創(chuàng)建三組分納米雜化材料。使用物理吸附方法將預(yù)制納米粒子摻入活性炭中，通過劇烈攪拌懸浮液將預(yù)制納米顆粒沉積在活性炭上。在進(jìn)行后續(xù)表征之前，將樣品離心并用純水洗滌。圖2顯示了代表性SEM圖像，其中多金屬氧酸鹽納米銀均勻分布在活性炭基底上。然而，SEM尺寸分布數(shù)據(jù)表明，與游離多金屬氧酸鹽納米銀粒子相比，它們傾向于聚集到平均尺寸45.83納米�；钚蕴可系倪@種聚集現(xiàn)象可能歸因于與支持物缺乏強(qiáng)相互作用。

　　圖2：具有1微米比例尺的SEM圖像顯示納米粒子在活性炭上的均勻分布(a)以及通過對(duì)活性炭混合納米雜化材料的SEM直方圖進(jìn)行高斯擬合獲​​得的尺寸分布(b)。

　　混合電極的電化學(xué)性能

　　通過評(píng)估電化學(xué)性能，初步測(cè)試了活性炭復(fù)合材料作為混合電極的潛在應(yīng)用。為此，通過將浸泡在1M/H2SO4電解質(zhì)中的隔膜夾在兩個(gè)相同的電極(活性炭或混合材料)之間來組裝對(duì)稱電池。圖3a顯示了活性炭和混合材料在20mV/s恒定掃描速率下的循環(huán)極化(CP)曲線。由于雙電層電容(EDLC)的影響，交流對(duì)稱電池的CP曲線形狀為矩形。另一方面，活性炭混合電極觀察到準(zhǔn)矩形CP曲線NPs對(duì)稱細(xì)胞，具有源自納米銀的各種氧化還原波，與矩形(電容)包絡(luò)重疊。這種CP結(jié)構(gòu)表明法拉第和EDLC兩種電荷存儲(chǔ)機(jī)制的共存。值得注意的是，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，觀察到的銀波變得更小并且變得難以察覺，這表明存在一定程度的不穩(wěn)定，正如對(duì)游離多金屬氧酸鹽納米銀所觀察到的那樣。白銀波浪的減少之間存在相關(guān)性(圖3a)在前幾個(gè)周期內(nèi)，根據(jù)CP面積計(jì)算出的比電容有所增加(圖3b)。這可以通過氧化銀薄層與銀的比電容差異來解釋。盡管如此活性炭混合電極的比電容略高于裸活性炭電極，活性炭的比電容為75F/g，活性炭混合電極在20次循環(huán)后達(dá)到81F/g。該結(jié)果表明，混合材料具有電活性，并且在對(duì)稱超級(jí)電容器配置中超過了一定程度的交流電�；钚蕴亢突旌想姌O電池的比電容隨著電流密度的增加而降低。對(duì)于活性炭混合材料在掃描速率為2mV/s時(shí)最高值為83.5F/g，在掃描速率為50mV/s時(shí)進(jìn)一步下降至77.5F/g。高掃描速率下比電容的降低歸因于電解質(zhì)離子的低擴(kuò)散。由于時(shí)間限制，高倍率充放電過程中電解液中的離子運(yùn)動(dòng)始終受到擴(kuò)散限制，僅利用外層活性表面進(jìn)行電荷存儲(chǔ)。減慢掃描速率可以讓電解質(zhì)更徹底地滲透到孔隙中，并與電極材料的內(nèi)表面有更多的接觸，從而導(dǎo)致電極表面存儲(chǔ)更多的電荷(更大的電容)。

　　圖3：(a)使用1M/H2SO4電解質(zhì)并以20mV/s收集的對(duì)稱紐扣電池中電極的CV曲線，箭頭表示CV循環(huán)數(shù)的增加。(b)比電容隨CV循環(huán)次數(shù)的變化。

　　活性炭多金屬氧酸鹽納米銀混合電極，采用特殊方法制備了均勻且尺寸可控的銀納米顆粒，其中多金屬氧酸鹽既充當(dāng)還原劑又充當(dāng)穩(wěn)定劑。通過改變銀濃度和多金屬氧酸鹽的氧化還原電位來控制顆粒的尺寸和均勻性。使用簡(jiǎn)便的方法成功制備了新型三元活性炭納米雜化物。使用這種納米復(fù)合材料作為混合電極，其電化學(xué)性能表明該材料具有電活性，并且在對(duì)稱超級(jí)電容器配置中表現(xiàn)出比裸交流電極稍高的性能。我們的結(jié)果證明了三組分納米雜化材料的電化學(xué)性能在電化學(xué)應(yīng)用中具有廣闊的前景。

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