Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена

На основе восстановленного СВЧ-облучением оксида графена (RGO) и гидроксида никеля (Ni–RGO) были получены композиты переменного состава двумя способами: осаждением Ni(OH)₂ на RGO и смешением суспензий RGO и Ni(OH)₂. Установлено, что композиты Ni–RGO обладают высокой удельной ёмкостью при испытании и...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Дата:	2014
Автори:	Баскаков, С.А., Золотаренко, А.Д., Баскакова, Ю.В., Шульга, Ю.М., Щур, Д.В., Ефимов, О.Н., Гусев, А.Л., Дорошенко, С.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2014
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140652
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена / С.А. Баскаков, А.Д. Золотаренко, Ю.В. Баскакова, Ю.М. Шульга, Д.В. Щур, О.Н. Ефимов, А.Л. Гусев, С.В. Дорошенко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 4. — С. 715-729. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860214565721079808
author	Баскаков, С.А. Золотаренко, А.Д. Баскакова, Ю.В. Шульга, Ю.М. Щур, Д.В. Ефимов, О.Н. Гусев, А.Л. Дорошенко, С.В.
author_facet	Баскаков, С.А. Золотаренко, А.Д. Баскакова, Ю.В. Шульга, Ю.М. Щур, Д.В. Ефимов, О.Н. Гусев, А.Л. Дорошенко, С.В.
citation_txt	Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена / С.А. Баскаков, А.Д. Золотаренко, Ю.В. Баскакова, Ю.М. Шульга, Д.В. Щур, О.Н. Ефимов, А.Л. Гусев, С.В. Дорошенко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 4. — С. 715-729. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	На основе восстановленного СВЧ-облучением оксида графена (RGO) и гидроксида никеля (Ni–RGO) были получены композиты переменного состава двумя способами: осаждением Ni(OH)₂ на RGO и смешением суспензий RGO и Ni(OH)₂. Установлено, что композиты Ni–RGO обладают высокой удельной ёмкостью при испытании их в качестве электродов суперконденсаторов в 1М KOH (от 150 до 330 Ф/г). Показано, что RGO обладает высокой стабильностью при циклировании в режиме заряд–разряд, но низкими показателями ёмкости ( ≈ 25 Ф/г). Чистый Ni(OH)₂, наоборот, имеет высокую удельную ёмкость в пределах 450–500 Ф/г, но недостаточную устойчивость при циклировании. Ёмкостные показатели и стабильность композитов Ni–RGO при гальваностатических испытаниях занимают промежуточные значения по сравнению с составляющими их компонентами в зависимости от процентного содержания Ni(OH)₂. После первых 100 циклов заряда–разряда видно, что введение RGO усиливает устойчивость электродной массы при циклировании. Таким образом, RGO может служить стабилизирующей добавкой, которая позволит увеличить срок службы и расширить диапазон рабочего тока суперконденсаторов на основе Ni(OH)₂. На основі відновленого НВЧ-опроміненням оксиду графену (RGO) і гідроксиду нікелю (Ni–RGO) були одержані композити змінного складу двома способами: осадженням Ni(OH)₂ на RGO і змішанням суспензій RGO і Ni(OH)₂. Встановлено, що композити Ni–RGO мають високу питому ємність при випробуванні їх в якості електродів суперконденсаторів в 1 М KOH (від 150 до 330 Ф/г). Показано, що RGO має високу стабільність при циклуванні в режимі заряд–розряд, але низькі показники ємности ( ≈ 25 Ф/г). Чистий Ni(OH)₂, навпаки, має високу питому ємність у межах 450–500 Ф/г, але недостатню стійкість при циклуванні. Ємнісні показники і стабільність композитів Ni–RGO при гальваностатичних випробуваннях мають проміжні значення в порівнянні з компонентами, що складають їх, залежно від процентного вмісту Ni(OH)₂. Після перших 100 циклів заряду–розряду видно, що введення RGO підсилює стійкість електродної маси при циклуванні. Таким чином, RGO може бути стабілізувальною добавкою, яка уможливить збільшити термін служби і розширити діапазон робочого струму суперконденсаторів на основі Ni(OH)₂. Using microwave-irradiation-reduced graphene oxide (RGO) and nickel hydroxide as precursors, the composites (Ni–RGO) of variable composition are fabricated in two ways: by precipitation of Ni(OH)₂ on RGO in situ or by mixing the suspensions RGO and Ni(OH)₂. As revealed, the Ni–RGO composites have a high specific capacity when tested as a supercapacitor electrode in 1 M KOH (150 to 330 F/g). As shown, the RGO has high stability during the charge–discharge cycling mode, but a low capacity (≈ 25 F/g). Pure Ni(OH)₂, on the contrary, has a high specific capacity in the range of 450–500 F/g, but lack the stability during cycling. Capacitive factor and stability of the Ni–RGO composites under galvanostatic tests take intermediate values as compared with their components, depending on the percentage of Ni(OH)₂. The introduction of RGO enhances the resistance of electrode mass during cycling after the first 100 charge–discharge cycles. Thus, RGO can serve as a stabilizing additive, which increases both the cycle life and the range of the operating current of supercapacitors based on the Ni(OH)₂.
first_indexed	2025-12-07T18:15:20Z
format	Article
fulltext	715 PACS numbers: 68.37.Hk, 73.63.-b, 78.67.Sc, 81.40.Rs, 81.70.Pg, 82.47.Uv, 84.32.Tt Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена С. А. Баскаков, А. Д. Золотаренко, Ю. В. Баскакова, Ю. М. Шульга, Д. В. Щур, О. Н. Ефимов, А. Л. Гусев*, С. В. Дорошенко Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт проблем химической физики РАН», просп. Акад. Семенова, 1, 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия Институт проблем материаловедения им И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Кржижановского, 3, 03142 Киев, Украина ООО «Научно-технический центр “ТАТА”», ул. Московская, 29, офис 306, 607181 Саров, Нижегородская обл., Россия На основе восстановленного СВЧ-облучением оксида графена (RGO) и гидроксида никеля (Ni–RGO) были получены композиты переменного состава двумя способами: осаждением Ni(OH)2 на RGO и смешением сус- пензий RGO и Ni(OH)2. Установлено, что композиты Ni–RGO обладают высокой удельной ёмкостью при испытании их в качестве электродов су- перконденсаторов в 1М KOH (от 150 до 330 Ф/г). Показано, что RGO обла- дает высокой стабильностью при циклировании в режиме заряд–разряд, но низкими показателями ёмкости (25 Ф/г). Чистый Ni(OH)2, наоборот, имеет высокую удельную ёмкость в пределах 450–500 Ф/г, но недоста- точную устойчивость при циклировании. Ёмкостные показатели и ста- бильность композитов Ni–RGO при гальваностатических испытаниях за- нимают промежуточные значения по сравнению с составляющими их компонентами в зависимости от процентного содержания Ni(OH)2. После первых 100 циклов заряда–разряда видно, что введение RGO усиливает устойчивость электродной массы при циклировании. Таким образом, RGO может служить стабилизирующей добавкой, которая позволит уве- личить срок службы и расширить диапазон рабочего тока суперконденса- торов на основе Ni(OH)2. На основі відновленого НВЧ-опроміненням оксиду графену (RGO) і гідрок- сиду нікелю (Ni–RGO) були одержані композити змінного складу двома способами: осадженням Ni(OH)2 на RGO і змішанням суспензій RGO і Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2014, т. 12, № 4, сс. 715–729  2014 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Êурдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 716 С. А. БАСÊАÊОВ, А. Д. ЗОЛОТАРЕНÊО, Ю. В. БАСÊАÊОВА и др. Ni(OH)2. Встановлено, що композити Ni–RGO мають високу питому єм- ність при випробуванні їх в якості електродів суперконденсаторів в 1 М KOH (від 150 до 330 Ф/г). Показано, що RGO має високу стабільність при циклуванні в режимі заряд–розряд, але низькі показники ємности (25 Ф/г). Чистий Ni(OH)2, навпаки, має високу питому ємність у межах 450– 500 Ф/г, але недостатню стійкість при циклуванні. Ємнісні показники і стабільність композитів Ni–RGO при гальваностатичних випробуваннях мають проміжні значення в порівнянні з компонентами, що складають їх, залежно від процентного вмісту Ni(OH)2. Після перших 100 циклів заря- ду–розряду видно, що введення RGO підсилює стійкість електродної маси при циклуванні. Таким чином, RGO може бути стабілізувальною добав- кою, яка уможливить збільшити термін служби і розширити діапазон ро- бочого струму суперконденсаторів на основі Ni(OH)2. Using microwave-irradiation-reduced graphene oxide (RGO) and nickel hy- droxide as precursors, the composites (Ni–RGO) of variable composition are fabricated in two ways: by precipitation of Ni(OH)2 on RGO in situ or by mix- ing the suspensions RGO and Ni(OH)2. As revealed, the Ni–RGO composites have a high specific capacity when tested as a supercapacitor electrode in 1 M KOH (150 to 330 F/g). As shown, the RGO has high stability during the charge–discharge cycling mode, but a low capacity (25 F/g). Pure Ni(OH)2, on the contrary, has a high specific capacity in the range of 450–500 F/g, but lack the stability during cycling. Capacitive factor and stability of the Ni– RGO composites under galvanostatic tests take intermediate values as com- pared with their components, depending on the percentage of Ni(OH)2. The introduction of RGO enhances the resistance of electrode mass during cycling after the first 100 charge–discharge cycles. Thus, RGO can serve as a stabi- lizing additive, which increases both the cycle life and the range of the oper- ating current of supercapacitors based on the Ni(OH)2. Ключевые слова: восстановленный оксид графена, гидроксид никеля, нанокомпозиты, суперконденсатор. (Получено 1 декабря 2014 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Энергетика является одним из самых важных тем в 21-м веке, по- этому поиск идеальных материалов для запасания и преобразования энергии для удовлетворения растущих энергетических потребностей во всем мире является чрезвычайно актуальной задачей [1, 2]. Среди материалов для гибридных суперконденсаторов (сочетающих в себе как ёмкость двойного электрического слоя, так и фарадеевскую псевдоёмкость), гидроксид никеля привлекает огромное внимание благодаря своей низкой стоимости, слабой токсичности (нераство- рим в воде) и высокими псевдоёмкостными характеристиками [3–5]. Гидроксид никеля Ni(OH)2 используется в электродах (особенно во вторичных источниках тока типа Ni/MH, Ni/Zn, Ni/Cd, Ni/Fe) МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГИДРИДНЫХ СУПЕРÊОНДЕНСАТОРОВ 717 [6–8] в качестве положительного электроактивного материала, в котором происходит следующая обратимая реакция: Ni(OH)2OH–NiOOHH2Oe – Хорошо известно, что величина удельной ёмкости и другие элек- трохимические параметры непосредственно связаны с удельной по- верхностью и электропроводностью самого электродного материа- ла. Таким образом, введение проводящих углеродных наноматери- алов с высокоразвитой поверхностью может значительно улучшить свойства электроактивных материалов. В данной работе в качестве такого материала был использован ранее описанный нами восста- новленный оксид графена (RGO—‘reduced graphene oxide’), имею- щий электропроводность в пределах 1 См/см и размер удельной по- верхности 600 м 2/г [9, 10]. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 1. Приготовление оксида графита (GO) и RGO. Оксид графита син- тезировали модифицированным методом Хаммерса по методике, описанной в работе [11]. Типичная процедура подготовки суспензий оксида графита за- ключалась в смешивании GO (100 мг) в виде порошка с дистиллиро- ванной водой (100 мл) в стеклянной колбе. Плёнки GO толщиной 200–300 мкм готовили путём осаждения из водных суспензий вы- париванием. Отделение плёнок от стеклянных подложек проводили механически. Получение восстановленного оксида графена проводили СВЧ- облучением плёнок GO по следующей процедуре. Плёнку GO пло- щадью около 1 см 2 помещали в глубокий кварцевый сосуд, на от- крытую часть которого устанавливали фильтр из хлопчатобумаж- ной ткани, предназначенный для улавливания продуктов взрыва. Затем кварцевый сосуд помещали в микроволновую печь (2450 мГц, 900 Вт) и проводили нагрев до момента взрыва, после чего собирали полученный продукт (RGO) в виде рыхлого порошка чёрного цвета. 2. Синтез композитов Ni/RGO. Êомпозиты различного состава были синтезированы двумя способами. 1. Осаждение Ni(OH)2 на RGO in situ. RGO в виде порошка сме- шивали с водой и добавляли рассчитанное количество NiSO47H2O. Полученную смесь обрабатывали ультразвуком в течение 10 ч. За- тем при перемешивании по каплям приливали рассчитанный объём 25%-го водного раствора KOH. После введения полученную смесь перемешивали ещё в течение 4 часов. Далее полученный пастооб- разную массу фильтровали на бумажном фильтре, промывали во- дой и, при необходимости, сушили на воздухе при T65С. По той 718 С. А. БАСÊАÊОВ, А. Д. ЗОЛОТАРЕНÊО, Ю. В. БАСÊАÊОВА и др. же методике одновременно готовили Ni(OH)2 без RGO. Были полу- чены композиты трёх составов с различным весовым процентным соотношением (1) Ni(OH)2:RGO — 80:20, 65:35 и 50:50. 2. Смешивание суспензии RGO и Ni(OH)2. RGO в виде порошка смешивали с водой, добавляли неионогенный ПАВ Triton X-100 и обрабатывали в ультразвуковой ванне в течение 10 ч. В отдельной ёмкости готовили раствор Ni(NO3)26H2O рассчитанной концентра- ции (в него так же добавляли ПАВ). Ê полученному раствору по каплям приливали необходимый объем 30%-го водного раствора аммиака. Полученный Ni(OH)2 промывали дистиллированной во- дой. Затем рассчитанное количество Ni(OH)2 добавляли к суспензии RGO, после чего смесь перемешивали ещё 4 часа. Полученный ком- позит осаждали на центрифуге и неоднократно промывали водой. Были получены композиты следующих составов: (2) Ni(OH)2:RGO — 85:15, 70:30 и 50:50. 3. Приготовление электродов. Электроды для испытаний готовили следующим образом. Вводную суспензию композитов Ni–RGO наносили на проводящую подложку, в качестве которой использо- валась никелевая пена размером 630 мм. Развитая поверхность пены (рис. 1) позволяет увеличить площадь контакта электролита с композитом, и к тому же препятствует смыванию активной массы электролитом с электрода, что в свою очередь позволило не исполь- зовать полимерных связующих (например, поливинилиденфто- рид), которые традиционно добавляются для увеличения адгезии между материалом электрода и электродной массой. 4. Измерение электрохимических характеристик композитов Ni– RGO и их отдельных компонентов. Измерение зарядно-разрядных характеристик было проведено в электрохимической трёхамперной стеклянной ячейке в атмосфере воздуха при комнатной температу- ре (19–22С) в 1 М водном растворе KOH. Пространства рабочего и вспомогательного электродов были раз- делены пористой стеклянной перегородкой. Вспомогательным Рис. 1. Фотография электрода из никелевой пены с нанесённым компози- том и СЭМ-изображения микроструктуры никелевой пены и никелевой пены, покрытой композитом. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГИДРИДНЫХ СУПЕРÊОНДЕНСАТОРОВ 719 электродом служила стеклоуглеродная пластина (марки СУ-2000) размером 14 см, электродом сравнения — хлорсеребряный элек- трод (ЭСр-10103). Все потенциалы в тексте приведены относительно электрода сравнения. Измерения проводили на потенциостате P-8S (ООО «Элинс»). 5. Методы анализа. 1) ИÊ-спектры измеряли с помощью Фурье- спектрометра Perkin Elmer Spectrum 100 с приставкой UATR в диа- пазоне 4000–675 см 1. 2) ДСÊ-кривые были записаны на дифференциальном сканиру- ющем калориметре DSC 822e (фирмы Mettler Toledo); 3) Микрофотографии исследуемых образцов получали с помощью сканирующего электронного микроскопа Zeiss LEO SUPRA 25. 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 1. Физико-химические свойства Ni(OH)2 и композитов Ni–RGO. Полученный нами спектр совпадает со спектром GO, полученным в работе [12]. В диапазоне 3000–3700 см 1 присутствует ряд перекры- вающихся полос поглощения (пп), которые, в соответствии с лите- ратурными данными, можно приписать валентным колебаниям связей O–H. Пп при 1730 см 1 можно приписать к валентным коле- баниям CO в карбонильных группах и/или в кетонах. Пп при 1620 см 1 соответствует деформационным колебаниям молекул воды. Со- гласно литературным данным, пп при 1360–1380 см 1 связывают с колебанием связи COH, пп при 1220 см 1 — с колебаниями группы С–О–С, пп при 1040–1060 см 1 — с фенилгидроксильными группа- ми. Пп при 860 см 1 обычно связывают с колебаниями эпоксидных групп [13, 14]. После обработки GO в микроволновой печи (RGO) все пики, ха- рактерные для GO, из спектра исчезли (рис. 2, а (красная линия)). а б в Рис. 2. a — ИÊ-спектры исходного GO и продукта микроволнового восста- новления RGO; б — (1)Ni(OH)2 и композитов (1)Ni–RGO; в — (2)Ni(OH)2 и композитов (2)Ni–RGO. 720 С. А. БАСÊАÊОВ, А. Д. ЗОЛОТАРЕНÊО, Ю. В. БАСÊАÊОВА и др. Пп небольшой интенсивности при 1561 см 1 может быть отнесена к колебаниям изолированных связей –CC– в базисной плоскости. Аналогичная пп появляется на спектрах всех композитов (1)Ni– RGO и (2)Ni–RGO при 1560–1570 см 1. Так же наблюдается сильное поглощение, на что указывает большой наклон линии спектра. Мы полагаем, что это связано с увеличением проводимости образца, по- скольку по своей форме спектр RGO приближается к спектру гра- фита. На рисунке 2, в представлены ИÊ-спектры (1)Ni(OH)2 и компози- тов (1)Ni–RGO. На всех спектрах присутствует узкая интенсивная пп при 3640 см 1. Появление этой пп обычно относят к колебаниям гидроксильных групп не связанных между собой водородными свя- зями. Пп при 1639 см 1 на спектре (1)Ni(OH)2 задаётся колебатель- ной модой адсорбированных молекул воды. Эти колебания присут- ствуют так же на спектрах композитов (1)Ni–RGO, они видны в ви- де плеча со стороны больших волновых чисел и помечены символом . Группа пп находящаяся в диапазоне 1120–1030 см 1 на спектрах композитов, вероятнее всего относится к колебаниям связи SO в анионе 2 4 SO  , которые остаются в структуре композитов даже после тщательной отмывки от ионов K  и 2 4 SO  после осаждения. Спектры (2)Ni(OH)2 (рис. 2, в) и композитов (1)Ni–RGO отлича- ются от спектров, описанных выше, наличием группы полос по- глощения в пределах 2960–2860 см 1, которые можно отнести к симметричным и несимметричным валентным колебаниям связей С–СН2 и С–СН3, входящих в состав молекулы ПАВ Triton X-100. Интенсивная полоса в районе 1510 см 1 отвечает валентным колеба- ниям бензоидной группы, а интенсивные полосы в районе 1243 и 1100 см 1 связаны с валентными колебаниями в ароматической эфирной группе молекулы ПАВ [15]. Для исследования термического поведения Ni(OH)2 и композитов Ni–RGO был проведён калориметрический и термогравиметриче- ский анализ всех образцов. Полученные ДСÊ- и ТГ-кривые приве- дены на рис. 3. На ТГ-диаграмме (рис. 3, б) видно, что разложение (1)Ni(OH)2 и композитов на его основе проходит через 2 ступени потери массы, которые соответствуют 2 эндотермическим пикам на графике теп- лоёмкости (рис. 3, а). Первая охватывает температурный диапазон 30–200C, соответствует потере адсорбированной воды (от 4,5 до 6,15%) и вторая ступень — температурный диапазон 230–500C, соответствует деградации материала из Ni(OH)2 в NiO, потеря массы при этом составляет от 11,5 до 16% в зависимости от %-го содержа- ния Ni(OH)2. На графиках ДСÊ (2)Ni(OH)2 и композитов (2)Ni–RGO (рис. 3, в) так же присутствуют 2 пика в районе 80–100C и 310– 325C. Однако на ДСÊ-кривых композитов появляется дополни- тельный пик около 400C, чему соответствует новая ступень на тер- МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГИДРИДНЫХ СУПЕРÊОНДЕНСАТОРОВ 721 мограммах в диапазоне от 350 до 460С. Природа этого фазового пе- рехода в настоящее время не ясна. Для этого необходимо провести дополнительно рентгеновский фазовый анализ образцов. Микрофотографии GO и RGO, полученные с помощью сканиру- ющей электронной микроскопии, можно видеть на рис. 4. В исход- ном GO видны плоские частицы, образованные параллельными плоскостями оксида графена. После микроволновой обработки плоскости восстановленного оксида графена (RGO) искривляются, что сохраняет их от схлопывания и обеспечивает высокую удель- ную поверхность RGO (600 м 2/г). На рисунке 4 так же представле- ны микрофотографии полученных композитов (1)Ni–RGO. Из ри- сунков видно, как при увеличении процентного содержания гид- роксида никеля, RGO обрастает все более толстым слоем Ni(OH)2. 2. Электрохимические свойства Ni(OH)2 и композитов Ni–RGO. Для оценки возможности применения полученных композитов в суперконденсаторах был выполнен ряд экспериментов по исследо- ванию их электрохимического поведения в 1 М-водном растворе KOH. На рисунке 5 показана типичная ЦВА-кривая Ni(OH)2, полу- ченного осаждением 1-м способом, нанесённого на электрод из ни- келевой пены в 1 М KOH при скорости сканирования 20 мВ/с в диа- пазоне потенциала от 100 до 550 мВ. Форма ЦВА-кривых указывает, что ёмкостные характеристики а б в г Рис. 3. ДСÊ- и ТГ-кривые (1)Ni(OH)2, (2)Ni(OH)2 и композитов (1)Ni–RGO и (2)Ni–RGO. 722 С. А. БАСÊАÊОВ, А. Д. ЗОЛОТАРЕНÊО, Ю. В. БАСÊАÊОВА и др. Ni(OH)2 отличаются от двухслойной электрической ёмкости, у ко- торой ЦВА-кривая обычно стремится к прямоугольной форме. Этот факт указывает, что основной вклад в электрическую ёмкость Ni(OH)2 вносит, главным образом, так называемая фарадеевская ёмкость, которая основана на механизме обратимой окислительно- восстановительной реакции превращения гидроксида никеля в ме- тагидроксид (NiOOH) и обратно в щелочной среде. Соответствую- щие электрохимическим переходам анодный и катодный пики по- являются при 0,41 и 0,26 В соответственно. Влияние скорости развёртки потенциала на вольтамперные ха- рактеристики исследуемых материалов изучались в 1 M KOH в диапазоне напряжений от 0,1 до 0,5 В. Результаты опытов при раз- а б в г д Рис. 4. СЭМ-изображения RGO, GO и композитов (1)Ni–RGO 50:50, (1)Ni– RGO 65:35 и (1)Ni–RGO 80:20. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГИДРИДНЫХ СУПЕРÊОНДЕНСАТОРОВ 723 ных скоростях сканирования представлены на рис. 6. Удельный ток под кривой медленно увеличивается со скоростью сканирования. Следует также отметить, что при увеличении скоро- сти сканирования форма ЦВА-кривых изменяется, потенциалы анодных и катодных пиков сдвигаются в более положительном и отрицательном направлениях соответственно, что ухудшает обра- тимость, и, как следствие, ёмкость неизбежно падает. Разницу между катодным и анодным пиком Ered/oxEoxEred обычно при- меняют как меру обратимости электродной реакции. Чем меньше Ered/ox, тем выше обратимость реакции. В литературе приемлемые значения Ered/ox обычно приводится в пределах от 120 до 180 мВ [16, 17]. Результаты расчёта Ered/ox для кривых ЦВА, полученных при скорости сканирования 10 мВ/с приведены в табл. Из таблицы видно, что композиты Ni–RGO, полученные по вто- рому способу обладают несколько лучшей обратимостью, по срав- нению с композитами, полученными первым способом. Так же для этих образцов наблюдается ухудшение обратимости с увеличением процентного содержания Ni(OH)2 в композитах. На рисунке 7, а–и представлены заряд-разрядные кривые для (1)Ni(OH)2, (2)Ni(OH)2, RGO, композитов на их основе величине ис- пользуемого удельного тока от 0,5 до 3,5 А/г. По данным разряд- ных кривых для всех композитов и отдельных компонентов были рассчитаны удельные ёмкости. Расчёт ёмкости проводились по формуле sp It C m E   , где I — ток разряда, t — время разряда, m — вес образца, Е — ин- Рис. 5. ЦВА-кривая (1)Ni(OH)2, в 1 М KОН при скорости сканирования 20 мВ/с. 724 С. А. БАСÊАÊОВ, А. Д. ЗОЛОТАРЕНÊО, Ю. В. БАСÊАÊОВА и др. тервал потенциалов. На рисунке 7, к, л также представлены графики зависимости рассчитанной удельной ёмкости образцов от плотности тока. Из ри- сунка 7, к, л видно, что наиболее высокой удельной ёмкостью при Рис. 6. ЦВА-кривые исследуемых образцов при разной скорости развёртки потенциала. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГИДРИДНЫХ СУПЕРÊОНДЕНСАТОРОВ 725 малых значениях плотности тока обладают (1)Ni(OH)2 и (2)Ni(OH)2. Однако стоит отметить, что с увеличением значения A/г ёмкость их довольно резко снижается при 3,5 А/г ёмкость (1)Ni(OH)2 уменьша- ется в 5,0 раза, а для (2)Ni(OH)2 этот показатель составляет 4,5. Ёмкость образцов композитов Ni–RGO занимает промежуточные значения между Ni(OH)2 и RGO. Видно, также, что при увеличении содержания RGO в образцах зависимость ёмкости от плотности тока становится менее выраженной. При токе в 3,5 А/г ёмкость компо- зитов оказывается сравнима с ёмкостью чистых гидроксидов нике- ля, а в случае композита (1)Ni–RGO 80:20 это значение оказывается даже выше на 20 Ф/г. Êак видно из рисунка, ёмкость RGO, которая обусловлена в основном заряжением ДЭС, практически не зависит ТАБЛИЦА. Значения Ered/ox, рассчитанные из ЦВА-кривых при скорости развёртки потенциала 10 мВ/с. З н а ч е н и е (1 )N i( O H ) 2 (1 )N i– R G O 5 0 :5 0 (1 )N i– R G O 6 5 :3 5 (1 )N i– R G O 8 0 :2 0 (2 )N i( O H ) 2 (2 )N i– R G O 5 0 :5 0 (2 )N i– R G O 7 0 :3 0 (2 )N i– R G O 8 5 :1 5 Ered/ox 175 175 180 210 165 120 130 135 а б в г д е Рис. 7. Заряд-разрядные кривые исследуемых образцов в токовом диапа- зоне 0,5–3,5 А/г (a–к) и графики зависимости рассчитанной удельной ём- кости образцов от плотности тока (л, м). 726 С. А. БАСÊАÊОВ, А. Д. ЗОЛОТАРЕНÊО, Ю. В. БАСÊАÊОВА и др. от плотности тока. В токовом диапазоне от 0,5 до 3,5 А/г ёмкость RGO уменьшается всего на 16%. Таким образом, RGO можно рас- сматривать как стабилизирующую добавку, которая позволит рас- ширить диапазон рабочего тока при зарядке и разрядке суперкон- денсаторов на основе гидроксидов никеля. На рисунке 8 представлены результаты циклирования электро- дов в гальваностатическом режиме. Из рисунков видно, что ёмкость чистых (1)Ni(OH)2 и (2)Ni(OH)2 имеют высокие стартовые значения, однако на протяжении первых 100 и 50 циклов соответственно, ём- кость их неуклонно снижается. RGO, наоборот, имеет наименьшую ёмкость, но стабилен при циклировании. Ёмкостные показатели и стабильность при гальваностатических испытаниях композитов Ni–RGO занимают промежуточные значения по сравнению с со- ставляющими их компонентами. Причём, чем больше процентное содержание Ni(OH)2 в образце, тем выше ёмкость. Êонечно, судить о циклической стабильности по первым 50–100 циклам довольно трудно и для этого требуются более длительные испытания, но в це- лом видно, что добавка RGO увеличивает устойчивость электродной массы при заряд-разрядном циклировании. По-видимому, введение в Ni(OH)2 проводящего углеродного материала RGO, имеющего вы- сокую удельную поверхность, улучшает токоотвод от электродной массы и способствует более интенсивному доступу электролита к электрохимически активному компоненту за счёт образования бо- лее пористой структуры. ж з и к л Продолжение Рис. 7. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГИДРИДНЫХ СУПЕРÊОНДЕНСАТОРОВ 727 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполненных экспериментов были получены композиты на основе восстановленного СВЧ-облучением оксида графена и гид- роксида никеля (Ni–RGO) переменного состава двумя способами: осаждением Ni(OH)2 на RGO in situ, и смешением суспензий RGO и Ni(OH)2. Полученные композиты обладают довольно высокой удельной ёмкостью при их использовании в качестве электродов суперконденсаторов (от 150 до 330 Ф/г). Проведено исследование структуры и физико-химических свойств композитов различного процентного состава с помощью широкого набора методов анализа. Показано, что RGO обладает высокой стабильностью при циклиро- вании в режиме заряд–разряд, но низкими показателями ёмкости (25 Ф/г), а чистый Ni(OH)2, наоборот, имеет высокую удельную ёмкость в пределах 450–500 Ф/г, но недостаточную устойчивость при циклировании. Ёмкостные показатели и стабильность при гальваностатических испытаниях композитов Ni–RGO занимают промежуточные значения по сравнению с составляющими их ком- понентами. Причём, чем больше процентное содержание Ni(OH)2 в образце, тем выше ёмкость. По первым 100 циклам можно сделать заключение, что добавка RGO усиливает устойчивость электродной массы при заряд-разрядном циклировании. Таким образом, RGO может служить стабилизирующей добавкой, которая позволит уве- личить срок службы и расширить диапазон рабочего тока при за- рядке и разрядке суперконденсаторов на основе гидроксидов нике- ля. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. А. Л. Полякова, Б. М. Васильев, И. Н. Êупенко и др., Физика и техника полупроводников, 9, № 11: 2356 (1976). а б Рис. 8. Зависимость ёмкости от количества циклов заряда–разряда для исследованных образцов. Измерения проводили при плотности тока 1 А/г. 728 С. А. БАСÊАÊОВ, А. Д. ЗОЛОТАРЕНÊО, Ю. В. БАСÊАÊОВА и др. 2. C. Liu, F. Li, L. P. Ma, and H. M. Cheng, Adv. Mater., 22: E1 (2010). 3. Y. Zhang, H. Feng, X. B. Wu, L. Z. Wang, A. Q. Zhang, T. C. Xia, H. C. Dong, X. F. Li, and L. S. Zhang, Int. J. Hydrogen Energy, 34, Iss. 11: 4889 (2009). 4. H. Q. Cao, H. Zheng, K. Y. Liu, and J. H. Warner, Chem. Phys. Chem., 11: 489 (2010). 5. G. Duan, W. Cai, Y. Luo, and F. Sun, Adv. Funct. Mater., 17: 644 (2007). 6. Y. Y. Luo, G. H. Li, G. T. Duan, and L. D. Zhang, Nanotechnology, 17: 4278 (2006). 7. D. Linden, Handbook of Batteries (New York: McGraw-Hill: 2002). 8. J. McBreen, Modern Aspects of Electrochemistry (New York: Plenum: 1990), vol. 21. 9. M. S. Wu, C. M. Huang, Y. Y. Wang, and C. C. Wan, Electrochim. Acta, 44, No. 23: 4007 (1999). 10. Yu. M. Shul’ga, A. S. Lobach, S. A. Baskakov et al., High Energy Chemistry, 47, No. 6: 331 (2013). 11. С. А. Баскаков, Ю. М. Шульга, Ю. В. Баскакова, А. Д. Золотаренко, И. Е. Êузнецов, О. Н. Ефимов, А. Л. Гусев, Альтернативная энергетика и экология, 12, № 116: 66 (2012). 12. В. Е. Мурадян, М. Г. Езерницкая, В. И. Смирнова, Н. М. Êабаева и др., Журнал общей химии, 61, № 12: 2626 (1991). 13. Y. Si and E. T. Samulski, Nano Lett., 8, Iss. 6: 1679 (2008). 14. H.-K.Jeong, Y. P. Lee, M. H. Jin et al., Chem. Phys. Lett., 470: 255 (2009). 15. L. J. Cote, R. Cruz-Silva, and J. Huang, J. Am. Chem. Soc., 131: 11027 (2009). 16. Lin Yang, Jianguo Zhu, and Dingquan Xiao, RSC Adv., 2: 8179 (2012). 17. F. S. Cai, G. Y. Zhang, J. Chen, X. L. Gou, H. K. Liu, and S. X. Dou, Angew. Chem. Int. Ed., 43, No. 32: 4212 (2004). 18. D. A. Corrigan and R. M. Bendert, J. Electrochem. Soc., 136, No. 3: 723 (1989). REFERENCES 1. A. L. Polyakova, B. M. Vassiliev, I. N. Kupenko et al., Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov, 9, No. 11: 2356 (1976) (in Russian). 2. C. Liu, F. Li, L. P. Ma, and H. M. Cheng, Adv. Mater., 22: E1 (2010). 3. Y. Zhang, H. Feng, X. B. Wu, L. Z. Wang, A. Q. Zhang, T. C. Xia, H. C. Dong, X. F. Li, and L. S. Zhang, Int. J. Hydrogen Energy, 34, Iss. 11: 4889 (2009). 4. H. Q. Cao, H. Zheng, K. Y. Liu, and J. H. Warner, Chem. Phys. Chem., 11: 489 (2010). 5. G. Duan, W. Cai, Y. Luo, and F. Sun, Adv. Funct. Mater., 17: 644 (2007). 6. Y. Y. Luo, G. H. Li, G. T. Duan, and L. D. Zhang, Nanotechnology, 17: 4278 (2006). 7. D. Linden, Handbook of Batteries (New York: McGraw-Hill: 2002). 8. J. McBreen, Modern Aspects of Electrochemistry (New York: Plenum: 1990), vol. 21. 9. M. S. Wu, C. M. Huang, Y. Y. Wang, and C. C. Wan, Electrochim. Acta, 44, No. 23: 4007 (1999). 10. Yu. M. Shul’ga, A. S. Lobach, S. A. Baskakov et al., High Energy Chemistry, 47, No. 6: 331 (2013). 11. S. A. Baskakov, Y. M. Shulga, Yu. V. Baskakova, A. D. Zolotarenko, МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГИДРИДНЫХ СУПЕРÊОНДЕНСАТОРОВ 729 I. E. Kuznetsov, O. N. Efimov, and A. L. Gusev, Alternativnaya Energetika i Ekologiya, 12, No. 116: 66 (2012) (in Russian). 12. V. E. Muradyan, M. G. Ezernitskaya, V. I. Smirnova, N. M. Kabaeva et al., Zhurnal Obshchei Khimii, 61, No. 12: 2626 (1991) (in Russian). 13. Y. Si and E. T. Samulski, Nano Lett., 8, Iss. 6: 1679 (2008). 14. H.-K.Jeong, Y. P. Lee, M. H. Jin et al., Chem. Phys. Lett., 470: 255 (2009). 15. L. J. Cote, R. Cruz-Silva, and J. Huang, J. Am. Chem. Soc., 131: 11027 (2009). 16. Lin Yang, Jianguo Zhu, and Dingquan Xiao, RSC Adv., 2: 8179 (2012). 17. F. S. Cai, G. Y. Zhang, J. Chen, X. L. Gou, H. K. Liu, and S. X. Dou, Angew. Chem. Int. Ed., 43, No. 32: 4212 (2004). 18. D. A. Corrigan and R. M. Bendert, J. Electrochem. Soc., 136, No. 3: 723 (1989).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-140652
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:15:20Z
publishDate	2014
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Баскаков, С.А. Золотаренко, А.Д. Баскакова, Ю.В. Шульга, Ю.М. Щур, Д.В. Ефимов, О.Н. Гусев, А.Л. Дорошенко, С.В. 2018-07-13T08:52:46Z 2018-07-13T08:52:46Z 2014 Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена / С.А. Баскаков, А.Д. Золотаренко, Ю.В. Баскакова, Ю.М. Шульга, Д.В. Щур, О.Н. Ефимов, А.Л. Гусев, С.В. Дорошенко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2014. — Т. 12, № 4. — С. 715-729. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1816-5230 PACS: 68.37.Hk, 73.63.-b, 78.67.Sc, 81.40.Rs, 81.70.Pg, 82.47.Uv, 84.32.Tt https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140652 На основе восстановленного СВЧ-облучением оксида графена (RGO) и гидроксида никеля (Ni–RGO) были получены композиты переменного состава двумя способами: осаждением Ni(OH)₂ на RGO и смешением суспензий RGO и Ni(OH)₂. Установлено, что композиты Ni–RGO обладают высокой удельной ёмкостью при испытании их в качестве электродов суперконденсаторов в 1М KOH (от 150 до 330 Ф/г). Показано, что RGO обладает высокой стабильностью при циклировании в режиме заряд–разряд, но низкими показателями ёмкости ( ≈ 25 Ф/г). Чистый Ni(OH)₂, наоборот, имеет высокую удельную ёмкость в пределах 450–500 Ф/г, но недостаточную устойчивость при циклировании. Ёмкостные показатели и стабильность композитов Ni–RGO при гальваностатических испытаниях занимают промежуточные значения по сравнению с составляющими их компонентами в зависимости от процентного содержания Ni(OH)₂. После первых 100 циклов заряда–разряда видно, что введение RGO усиливает устойчивость электродной массы при циклировании. Таким образом, RGO может служить стабилизирующей добавкой, которая позволит увеличить срок службы и расширить диапазон рабочего тока суперконденсаторов на основе Ni(OH)₂. На основі відновленого НВЧ-опроміненням оксиду графену (RGO) і гідроксиду нікелю (Ni–RGO) були одержані композити змінного складу двома способами: осадженням Ni(OH)₂ на RGO і змішанням суспензій RGO і Ni(OH)₂. Встановлено, що композити Ni–RGO мають високу питому ємність при випробуванні їх в якості електродів суперконденсаторів в 1 М KOH (від 150 до 330 Ф/г). Показано, що RGO має високу стабільність при циклуванні в режимі заряд–розряд, але низькі показники ємности ( ≈ 25 Ф/г). Чистий Ni(OH)₂, навпаки, має високу питому ємність у межах 450–500 Ф/г, але недостатню стійкість при циклуванні. Ємнісні показники і стабільність композитів Ni–RGO при гальваностатичних випробуваннях мають проміжні значення в порівнянні з компонентами, що складають їх, залежно від процентного вмісту Ni(OH)₂. Після перших 100 циклів заряду–розряду видно, що введення RGO підсилює стійкість електродної маси при циклуванні. Таким чином, RGO може бути стабілізувальною добавкою, яка уможливить збільшити термін служби і розширити діапазон робочого струму суперконденсаторів на основі Ni(OH)₂. Using microwave-irradiation-reduced graphene oxide (RGO) and nickel hydroxide as precursors, the composites (Ni–RGO) of variable composition are fabricated in two ways: by precipitation of Ni(OH)₂ on RGO in situ or by mixing the suspensions RGO and Ni(OH)₂. As revealed, the Ni–RGO composites have a high specific capacity when tested as a supercapacitor electrode in 1 M KOH (150 to 330 F/g). As shown, the RGO has high stability during the charge–discharge cycling mode, but a low capacity (≈ 25 F/g). Pure Ni(OH)₂, on the contrary, has a high specific capacity in the range of 450–500 F/g, but lack the stability during cycling. Capacitive factor and stability of the Ni–RGO composites under galvanostatic tests take intermediate values as compared with their components, depending on the percentage of Ni(OH)₂. The introduction of RGO enhances the resistance of electrode mass during cycling after the first 100 charge–discharge cycles. Thus, RGO can serve as a stabilizing additive, which increases both the cycle life and the range of the operating current of supercapacitors based on the Ni(OH)₂. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена Article published earlier
spellingShingle	Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена Баскаков, С.А. Золотаренко, А.Д. Баскакова, Ю.В. Шульга, Ю.М. Щур, Д.В. Ефимов, О.Н. Гусев, А.Л. Дорошенко, С.В.
title	Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена
title_full	Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена
title_fullStr	Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена
title_full_unstemmed	Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена
title_short	Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена
title_sort	перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140652
work_keys_str_mv	AT baskakovsa perspektivnyematerialydlâgidridnyhsuperkondensatorovnaosnovegidroksidanikelâivosstanovlennogooksidagrafena AT zolotarenkoad perspektivnyematerialydlâgidridnyhsuperkondensatorovnaosnovegidroksidanikelâivosstanovlennogooksidagrafena AT baskakovaûv perspektivnyematerialydlâgidridnyhsuperkondensatorovnaosnovegidroksidanikelâivosstanovlennogooksidagrafena AT šulʹgaûm perspektivnyematerialydlâgidridnyhsuperkondensatorovnaosnovegidroksidanikelâivosstanovlennogooksidagrafena AT ŝurdv perspektivnyematerialydlâgidridnyhsuperkondensatorovnaosnovegidroksidanikelâivosstanovlennogooksidagrafena AT efimovon perspektivnyematerialydlâgidridnyhsuperkondensatorovnaosnovegidroksidanikelâivosstanovlennogooksidagrafena AT guseval perspektivnyematerialydlâgidridnyhsuperkondensatorovnaosnovegidroksidanikelâivosstanovlennogooksidagrafena AT dorošenkosv perspektivnyematerialydlâgidridnyhsuperkondensatorovnaosnovegidroksidanikelâivosstanovlennogooksidagrafena

Перспективные материалы для гидридных суперконденсаторов на основе гидроксида никеля и восстановленного оксида графена

Репозитарії

Схожі ресурси