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May 25, 2023

Scientific Reports volume 6、記事番号: 20021 (2016) この記事を引用

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2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

スーパーキャパシタの実用化における主な懸念事項は、電気化学的性能と製造コストです。 今回我々は、金属本来の還元性と酸化性を利用した金属酸化還元反応により、簡単かつ汎用的にハイブリッド金属酸化物を調製する方法を初めて報告する。 例として、Ni(OH)2/MnO2 ハイブリッド ナノシート (NMNS) は、室温で KMnO4 溶液中の Ni 発泡基板の自己反応によってスーパーキャパシタ用途のために成長します。 得られたハイブリッドナノシートは、高い比静電容量（2,937 F g-1）を示します。 組み立てられた固体非対称擬似コンデンサは、91.13 Wh kg-1 (電力密度 750 W kg-1 の場合) という超高エネルギー密度と、25,000 サイクル後の容量保持率 92.28% という並外れたサイクル安定性を備えています。 Co(OH)2/MnO2 および Fe2O3/MnO2 ハイブリッド酸化物も、この金属酸化還元機構によって合成されます。 このグリーンで低コストの方法は、大規模な生産と電極のワンステップ準備が可能であり、高性能擬似キャパシタの実用化が期待されています。

電荷蓄積メカニズムの観点から、スーパーキャパシタは電気化学二重層キャパシタ (EDLC) と擬似キャパシタに分類できます。 EDLC は通常、電極材料として有機金属フレームワーク 1、2 やグラフェン 3 に由来するナノ多孔質カーボンなどの炭素材料を使用しており、高い出力能力と優れた安定性を備えています。 最近、擬似コンデンサは、炭素ベースの EDLC よりもはるかに多くの電気エネルギーを蓄える能力があるため、特別な注目を集めています 4,5。 近年、理論上の比静電容量が高いため、高性能の擬似容量性材料の探索に多大な努力が払われてきました6、7、8。 さまざまな擬似容量材料の中でも、RuO2、MnOx、NiO、Ni(OH)2、CoOx、Co(OH)2、VOx、FeOx などの遷移金属酸化物/水酸化物は、スーパーキャパシタ用途に魅力的な性能を示しています9、10、11、12、13。 、14、15、16。 擬似容量性酸化物を調製する代表的な方法には、水熱合成 12、16、17、18、19、20、21、電着 9、15、22、23、24、および液相合成 10、11、14、25、26、27、28 が含まれます。 水熱合成は一般に、高温高圧下で対応する金属元素を含む試薬を含む化学反応に基づいており、電着は金属塩の電位補助酸化還元反応によって進行します。 これら 2 つの方法では、生産性や製品の (基板上での) サイズは主に必要な設備によって制限されます。 液相合成は、水熱合成や電着法と比較して、簡便かつ低コストで大量生産が可能です。 一般に、溶液相合成は、自由エネルギー変化または酸化還元電位の差によって駆動される室温の化学反応に依存します。 たとえば、Ni(OH)2 および Co(OH)2 の調製には、塩基性下での Mx+ + xOH− = M(OH)x (M = Ni, Co) の化学反応に基づいて Ni および Co 塩が使用されます。条件14、26。 MnO2 に関しては、KMnO4 を還元するために、硫酸マンガン 10、水素化ホウ素カリウム 29、次亜リン酸ナトリウム 29、塩酸 29、エチレングリコール 30、炭素 13、31、32 などのさまざまな還元剤が利用されます。 これらの還元剤の中で、炭素は式 (1)13、31、32 に従って広く使用されます。

この酸化還元反応と同様に、ゼロ価金属は、金属の固有の還元性 33 と の酸化性により還元できるはずです。 しかし同様に、同時に生成される金属酸化物または水酸化物は不溶性であるため、生成物は純粋な MnO2 ではない可能性があります。 したがって、これはハイブリッド金属酸化物を調製するための新しい手段となる可能性があります。 異なる金属酸化物の配合により、スーパーキャパシタへの応用において相乗的かつ相補的な効果が生じ、強化された多用途の特性が得られる可能性があることが報告されています 13、18、34。 しかしながら、我々の知る限り、この経路によるハイブリッド金属酸化物の調製は現在まで報告されていない。