Herstellung von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel-Superkondensatoren und Untersuchung der elektrochemischen Leistung

Sep 01, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12862 (2022) Diesen Artikel zitieren

1551 Zugriffe

6 Zitate

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

In dieser Studie wurde das Material, das durch Beschallung der doppelwandigen Kohlenstoffnanoröhre und Rutheniumchlorid erhalten wurde, als Aerogel hergestellt. Anschließend wurden daraus symmetrische Superkondensatorgeräte hergestellt und ihre elektrochemischen Eigenschaften untersucht. XRD und FTIR wurden bei der Strukturanalyse des Aerogels, STEM bei Oberflächenbildern und Elementaranalysen bei EDX verwendet. Die elektrochemische Analyse wurde mittels Galvanostat/Potentiostat durchgeführt. Aus der zyklischen Voltammetrieanalyse wurde die höchste spezifische Kapazität für MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogele mit 423 F/g bei 5 mV/s erreicht. Andererseits ergaben die aus den Lade-Entlade-Kurven berechneten entsprechenden Werte 420,3 F/g und 319,9 F/g bei den Stromdichten von 0,5 A/g bzw. 10,0 A/g. Die Kapazitätserhaltung des synthetisierten Aerogels betrug am Ende der 5000 aufeinanderfolgenden zyklischen Voltammetriezyklen 96,38 %.

Der durch die wachsende Bevölkerung und die Industrialisierung entstehende Energiebedarf kann heute aufgrund begrenzter Ressourcen nicht gedeckt werden; Folglich wächst die Kluft zwischen Energieproduktion und -verbrauch rapide. Dabei wird es immer wichtiger, die verfügbaren Energieressourcen effektiver zu nutzen. Die effiziente Speicherung der aus erneuerbaren Energiequellen gewonnenen Energie und die Entwicklung der am besten geeigneten Umwandlungen werden dazu beitragen, den rasch steigenden Energiebedarf zu decken. In diesem Zusammenhang bieten Superkondensatoren (SCs) verschiedene Vorteile, darunter eine hohe Leistungsdichte, schnelle Lade-/Entladefähigkeit und eine lange Zyklenlebensdauer. Daher haben sie erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen und werden als erstklassige Energiespeichersysteme in breiten Anwendungsbereichen eingesetzt1,2,3,4,5. Da jedoch die geringe Energiedichte von Superkondensatoren ihre zukünftigen Anwendungen einschränken wird, ist die Entwicklung von Hochleistungs-SCs von wissenschaftlicher und industrieller Bedeutung6. In jüngsten Studien haben sich Forscher auf verschiedene Übergangsmetalloxide (TMO) konzentriert, die über eine sehr gute elektrochemische Leistung und umweltfreundliche Eigenschaften verfügen und in SCs verwendet werden sollen. Metalloxide haben im Allgemeinen eine wesentlich höhere Energiedichte als typische kohlenstoffhaltige Strukturen und sind elektrochemisch stabiler als Polymermaterialien7. RuO2 ist das erste Übergangsmetalloxid, über das für SCs berichtet wurde. Seine einzigartigen Eigenschaften wie hohe spezifische Kapazität (bis zu 1580 F/g), Stabilität, große Faradaysche Aktivität, Ionenadsorption und gute elektrische Leitfähigkeit machten es zu einem der bemerkenswertesten Kandidaten für die Verwendung in SC8,9,10.

CNTs hingegen verfügen über eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, die aufgrund der einzigartigen physikalischen Architektur der kovalenten sp2-Bindung zwischen Kohlenstoffatomen den spezifischen Widerstand des Systems effektiv senkt. Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften können sie als Wirkstoffe dienen, indem sie ein leitfähiges Netzwerk aufbauen, um Hochleistungselektroden zu erhalten. CNTs helfen dank der hohen spezifischen Oberfläche (1300 m2g−1) beim Aufbau einer großen Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche und erfüllen zusätzlich zu ihrer chemischen Stabilität eine erfolgreiche Energiespeicherung11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20. Allerdings können CNTs nicht direkt als aktives Material verwendet werden; Daher sollten sie mit einigen Metalloxiden (RuO2, MoO2 usw.) oder leitfähigen Polymeren kombiniert werden, um eine höhere Energiedichte zu erreichen. Andererseits gelten Aerogele mit geringer Dichte (0,003–0,15 kg/m3), hoher Porosität und großen Oberflächen (500–1000 m2/g) als die leichtesten festen Materialien. Aufgrund ihrer einstellbaren Porengröße und Oberfläche sowie ihrer mechanischen Festigkeit und besonderen physikalisch-chemischen Eigenschaften haben Aerogele eine vielversprechende Zukunft für Superkondensatoranwendungen. Neben ihrer dreidimensionalen Netzwerkstruktur weisen Kohlenstoff-Aerogele eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit auf. CNT-Aerogele sind eine gute Alternative als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren, da sie eine große spezifische Oberfläche, elektrische Leitfähigkeit, ein geringes Gewicht und eine hohe mechanische Festigkeit bieten21. Die elektrochemischen Leistungen von Nanokompositen wurden kürzlich unter verschiedenen Elektrolyttypen getestet.

RuO2-basierte Verbundwerkstoffe, die „Halbgraphen“ enthalten, wurden durch Längsteilung von CNTs in verschiedenen wässrigen Medien, wie 1 M KOH, 1 M H2SO4 und 1 M Na2SO4, durch Zugabe von 40,0 % Metalloxid erhalten; Ihre spezifischen Kapazitäten betrugen 453,7 Fg−1, 415,7 F/g bzw. 287,5 F/g22. Wasserhaltige RuO2-Nanopartikel wurden mithilfe der hydrothermischen Technik gleichmäßig auf mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) aufgetragen; Sie zeigten eine gravimetrische Kapazität von 1585 Fg−1 bei einer Spannungsabtastrate von 2 mVs−1 im Betriebspotentialbereich von 0–1,2 V23. Vor einigen Jahren haben Das et al. lagerten RuO2 durch Elektroabscheidung auf speziell entwickelten porösen SWCNT-Filmen ab. Sie berichteten über eine gravimetrische Kapazität von 1715 Fg−1 für RuO2-basierte Energiespeichergeräte24. Asim et al. erreichten eine hohe spezifische Kapazität von 176 Fg−1 bei 2 mA cm2 für ein Hybrid-Nanokomposit bestehend aus CNT-dekorierten RuO2-Nanostäben (NRs)25. Arabale et al. erhielten eine spezifische Kapazität von 80 Fg−1 aus mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs), die mit wässrigem RuO2 in 1 M Schwefelsäure funktionalisiert wurden. Dieser Wert ist deutlich höher als bei unfunktionalisierten MWCNTs (30 F/g) in derselben Umgebung26. Liu enthüllte, dass Mikro-Superkondensatoren mit hydratisierten RuO2-Interdigitalelektroden eine spezifische Kapazität von 10,5 mF/cm bei 0,05 V/s27 aufweisen. Arnold ermittelte eine spezifische Kapazität von 720 F/g für wässrige Rutheniumoxid-Mikro-Ultrakondensatoren mit hoher Kapazität. Sugimoto synthetisierte mesoporöse RuOx-Elektroden durch Elektroabscheidung und erreichte eine spezifische Kapazität von 400 F/g28,29. In dieser Studie wurden CNT/RuO2-Aerogele zur Verwendung als Superkondensatorelektroden synthetisiert und ihre elektrochemischen Leistungen in 3,0 M H2SO4-Flüssigelektrolyt untersucht. Ziel war die Herstellung eines Hybridelektrodenmaterials für den Einsatz in Hochleistungs-Superkondensatorzellen. In diesem Zusammenhang wurden MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogele über einen einfachen Herstellungsweg hergestellt und ihre elektrochemischen Leistungen als Superkondensator-Elektrodenmaterial wurden in einem 3,0 M H2SO4-Flüssigelektrolytsystem untersucht. Andererseits wurden die physikalisch-chemischen Charakterisierungen und Elementzusammensetzungen des synthetisierten Nanohybrid-Aerogels mittels SEM-EDX-, XRD- und FTIR-Analyse durchgeführt. Die zyklische Voltammetrie (CV) und die galvanostatische Lade-Entlade-Analyse (GCD) wurden implementiert, um die elektrochemische Leistung von Superkondensatorzellen im zusammengebauten Zustand zu untersuchen. Nach bestem Wissen der Autoren ist dies die erste Arbeit, über die über Superkondensatoren auf der Basis von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel-Elektroden berichtet wird; Daher kann spekuliert werden, dass diese Arbeit zur Literatur beitragen und die Forschung zu diesem Thema leiten könnte.

2,0 mg.mL-1 wässrige MWCNT- und 0,5 mg.mL-1 RuCl3-Dispersionen wurden in einem Volumenverhältnis von 5:6 gemischt, um die wässrige MWCNT/Rutheniumhydroxid-Dispersion herzustellen, gefolgt von 20 ml der so erhaltenen Dispersion bei –10 °C eingefroren. Anschließend wurde die Dispersion bei –10 °C über Nacht bei –78 °C unter Vakuum in einem Lyophilisator behandelt. Schließlich wurde die so erhaltene Probe als MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel gekennzeichnet.

Bestimmte Mengen MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel als aktives Material (85 Gew.-%), Ruß als leitfähiges Additiv (10 Gew.-%) und Polyvinylidenfluorid als Bindemittel (5 Gew.-%) wurden homogen in N-Methyl dispergiert -2-Pyrrolidon (NMP) mittels Ultraschall über 30 Minuten. Ein Scheibenstromkollektor (d = 1,51 cm), der im Gießverfahren mit der Elektrodenaufschlämmung beschichtet war, wurde über Nacht in einem Vakuumofen bei 80 °C getrocknet, um die wahrscheinliche NMP-Kontamination zu beseitigen. Die mit 3,0 M H2SO4-Elektrolyt getränkten Elektroden und Separatoren wurden zum Zusammenbau der symmetrischen Superkondensatorzellen verwendet. Zu diesem Zweck wurden zwei identische MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel-basierte Elektroden auf der Anoden- und Kathodenseite der CR2032-Knopfzelle ausgetauscht, durch einen Zellulosefilmseparator getrennt und anschließend mit einer hydraulischen Crimpzange abgedichtet. Die Gesamtmassenbelastung jeder Elektrode wurde auf 2,5 mg cm−2 eingestellt.

Zur Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften des symmetrischen Superkondensators wurde der Potentiostat/Galvanostat IviumStat eingesetzt. Das elektrochemische Verhalten von Superkondensatorzellen im zusammengebauten Zustand wurde in einem Potentialscanratenbereich von 5 bis 100 mV s−1 mittels zyklischer Voltammetrieuntersuchungen sowie der galvanostatischen Lade-/Entladeanalyse im Stromdichtebereich von 0,5 bis 10 A untersucht g−1 und Betriebsspannungsbereich von 0–1,0 V. 5000 aufeinanderfolgende CV-Zyklen wurden bei einer Potentialabtastrate von 100 mV s−1 aufgezeichnet, um die Zyklenstabilität des Elektrodenmaterials zu beurteilen.

Die Oberflächenmorphologien der Proben wurden von FESEM analysiert. Die EDX-Analyse wurde verwendet, um die Oberflächenelementzusammensetzung des synthetisierten Nanohybrid-Aerogels zu bestimmen. Darüber hinaus wurden die strukturellen Eigenschaften der Proben mittels FTIR und XRD analysiert. Die thermische Analyse von Nanomaterialien wurde in einer Stickstoffgasumgebung durchgeführt, indem eine Temperatur von 10 °C/min in einem Temperaturbereich von 50–1000 °C mit einem thermogravimetrischen und differenziellen Thermoanalysator (TG/DTA) gescannt wurde.

Die elektrochemische Leistung der Superkondensatorzelle im zusammengebauten Zustand wurde durch Berechnung der spezifischen Kapazität (C; F/g), der Energiedichte (E; Wh/kg), der Leistungsdichte (P; W/kg) und der Kapazitätserhaltungswerte bewertet (für detaillierte Informationen siehe SM)30,31.

Abbildung 1 zeigt die Röntgenbeugungsmuster von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel. Der starke Peak bei etwa 26° gehört zu CNT und ist ebenfalls ein Peak mit hexagonaler Graphitstruktur und einem (002)-Index. Bei etwa 42° wird ein Peak mit einem (100)-Index beobachtet, der zu CNT32 gehört. Der schwache Peak von Rutheniumhydroxid bei etwa 40° wird durch die (211)-Orientierung angezeigt33. Hier sind einige Beugungspeaks von Rutheniumhydroxid und MWCNT entweder zu schwach oder nicht sichtbar, was auf den sehr geringen Anteil an Rutheniumhydroxid in der Struktur und die Tatsache zurückzuführen ist, dass CNT ein gutes Röntgenabsorptionsmaterial ist.

XRD-Beugungsmuster von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel zwischen 2θ = 10°–90°

Abbildung 2 zeigt FTIR-Spektren von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Nanohybrid, aufgenommen im Wellenlängenbereich von 450–4000 cm−1, die die chemischen Bindungen von Aerogel darstellen (Abb. 2). Die Absorptionsbande von Ru(OH)3 bei etwa 1067 cm−1 wird den charakteristischen Spannungsschwingungen der Ru-OH-Bindung zugeordnet. Der Peak bei etwa 2928 cm−1 zeigt die –OH-Schwingungen (Biegung und Streckung) von Ru-OH. Der Peak der Dehnspannungsschwingungen – C = C-Doppelbindung – ist deutlich erkennbar34,35,36. Die in der IR-Analyse beobachteten Spitzen der Schwingungsbanden sind viel geringer als erwartet, da die symmetrische Struktur von MWCNT Folgendes verursacht. (1) Das Auftreten verzerrter Bänder, die der Absorption derselben Frequenz und der Konvergenz der Bänder dieser Schwingungen mit sehr nahe beieinander liegenden Frequenzen entsprechen. (2) Das Scheitern der erforderlichen Änderung des Dipolmoments aufgrund der Symmetrie der Bindungen zwischen Kohlenstoff Atome.

FTIR-Analyse und Vibrationspeaks von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel.

Strukturelle Charakterisierung und Elementzusammensetzung des MWCNT/Rutheniumhydroxid-Nanohybrids wurden mittels SEM-Analyse bewertet (Abb. 3). Es wurde beobachtet, dass RuO2-Nanopartikel gleichmäßig auf der MWCNT-Oberfläche verteilt wurden. Darüber hinaus ist es erwähnenswert, dass die MWCNTs zwar dicht gepackt sind, zwischen den Kohlenstoffnanoröhren jedoch immer noch einige Lücken bestehen. Daher wird erwartet, dass eine poröse Struktur zusammen mit einer hohen spezifischen Oberfläche bereitgestellt wird, wodurch die elektrochemische Leistung der Elektroden verbessert wird. Die durch EDX-Analyse ermittelte Elementzusammensetzung des MWCNT/Rutheniumhydroxid-Nanohybrids ist in Tabelle 1 aufgeführt. Dieses Ergebnis stimmt mit den XRD- und FTIR-Daten überein. In der Struktur wurden 2,97 % Ru nachgewiesen, was erklärt, warum einige Peaks sowohl im FTIR- als auch im XRD-Spektrum nicht sichtbar sind.

REM-Bilder von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel.

Die TGA-Kurve des hergestellten Nanomaterials ist in Abb. 4 dargestellt. Den Ergebnissen der Analyse zufolge zeigte sich, dass es nur wenige Brüche gab, die durch die Dehydrierung von Wassermolekülen in der Struktur bei 141,50 °C verursacht wurden. Inzwischen wurde festgestellt, dass das Wasser bei 368,4 °C vollständig aus dem Material entfernt wurde. Wie in der Herstellungsmethode angegeben, machte Wasser etwa 75 Gew.-% der Struktur aus. Die Zersetzungsbrüche von MWCNT wurden gemäß der Literatur bei 600–700 °C nachgewiesen37.

TGA-Kurve von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel.

Die elektroanalytische Leistung des auf MWCNT/Rutheniumhydroxid-Elektroden basierenden Superkondensators wurde durch zyklische Voltammetrie und galvanostatische Lade-/Entladeanalyse bewertet. Die CV-Kurven des Superkondensators (Abb. 5A) weisen eine halbrechteckige Form auf, was auf den synchronen Effekt des pseudokapazitiven Verhaltens der Rutheniumhydroxid-Nanopartikel und des kapazitiven Verhaltens der elektrischen Doppelschicht von MWCNT hinweist. Dank der porösen Struktur, die in der gesamten dreidimensionalen (3D) Architektur miteinander verbunden ist, werden die durch die Wanderung von Elektrolytionen verursachten Stofftransportbeschränkungen verringert; dadurch ist die erreichte Stromdichte hoch. Es gibt keine offensichtlichen anodischen/kathodischen Peaks, was durch die schnellen, bidirektionalen Redoxreaktionen erklärt werden kann, die auf der Oberfläche feiner Rutheniumhydroxid-Nanopartikel stattfinden. Darüber hinaus weisen die MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogele mit poröser 3D-Struktur selbst bei einer höheren Potentialabtastrate von 100 mV s−1 eine nahezu ideale reversible kapazitive Aktivität auf, was eine hervorragende kapazitive Leistung offenbart. Bei einer potenziellen Abtastrate von 5 mV s−1 wurde die maximale spezifische Kapazität einer Superkondensatorzelle auf MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogelbasis mit ca. 423 Fg−1 berechnet.

(A) Zyklische Voltammogramme von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel bei verschiedenen potenziellen Scanraten (B) Galvonastatische Lade-/Entladekurven bei verschiedenen Stromdichten (C) Kapazitätserhaltung von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel für 5000 CV-Zyklen bei 100 Vs−1 (D ) Ragone-Diagramm eines symmetrischen Superkondensators basierend auf der Masse des aktiven Elektrodenmaterials.

GCD-Kurven von so hergestellten MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogelen weisen eine nahezu symmetrische dreieckige Form auf, was auf ihre hervorragenden kapazitiven Eigenschaften schließen lässt (Abb. 5B). Die aus den GCD-Kurven berechneten spezifischen Kapazitätswerte stimmen mit den GCD-Kurven überein (Tabelle 2). Die CGCD-Werte der so synthetisierten Probe betragen 420,3 Fg−1 und 319,9 Fg−1 bei Stromdichten von 0,5 Ag−1 und 10,0 Ag−1. Die aus galvanostatischen Lade-/Entladekurven berechneten spezifischen Kapazitätswerte von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogelen sind relativ höher als die gemeldeten Werte für ähnliche Nanokomposite. Diese herausragende elektrochemische Leistung wird auf die 3D-geordnete, elektrochemisch zugängliche Oberfläche und die Metalloxiddekoration auf der MWCNT-Oberfläche zurückgeführt.

Darüber hinaus wurden 5000 aufeinanderfolgende CV-Zyklen mit einer möglichen Scanrate von 100 mV s−1 durchgeführt, um die zyklische Stabilität der Probe zu bewerten (Abb. 5C). Wie aus dem Einschub von Abb. 5C beim Vergleich des 5000. und des 1. Zyklus ersichtlich ist, zeigt die unveränderte Form der CV-Voltammogramme die hohe zyklische Stabilität des Aerogels. Wie in SM beschrieben, wurden die Kapazitätserhaltungswerte anhand der spezifischen Kapazitätswerte berechnet, die aus CV-Kurven berechnet wurden. Die Kapazitätserhaltung des zusammengebauten Superkondensators beträgt 96,38 % für den 5.000-CV-Zyklus (Abb. 5C).

Das Ragone-Diagramm eines Superkondensators auf MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogelbasis ist in Abb. 5D dargestellt. Tabelle 2 fasst die berechneten Energiedichte- und Leistungsdichtewerte zusammen. Die Energiedichte des MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel-basierten Superkondensators wurde selbst bei einem hohen Leistungsdichtewert von 8,60 kW kg-1 mit 36,6 Wh kg-1 berechnet. Darüber hinaus tendiert die Steigung des Ragone-Diagramms dazu, auch bei höheren Leistungsdichtewerten linear zu werden, was auf die überlegenen elektrochemischen Eigenschaften der Superkondensatorzelle schließen lässt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die hergestellte Superkondensatorzelle dank ihrer vergleichbaren Energiedichtewerte mit kommerziell erhältlichen Pb-Säure- oder Ni-Metall-Hybrid-Energiespeichersystemen vielversprechend für den Einsatz als alternatives Hochleistungs-Energiespeichersystem ist.

In Tabelle 3 sind die in der Literatur bekannten Beispiele für Ruthenium-Superkondensatoren mit Kohlenstoffnanoröhren aufgeführt. Dementsprechend wurden in Studien, in denen eine höhere Kapazität als in dieser Studie berichtet wurde, entweder Pd-Dünnfilme als Substrat hergestellt oder sehr starke Elektrolyte (bestehend aus Metallsalzen) verwendet. Es gibt keine vergleichbare Studie mit hoher Kapazität und einer Retentionsrate von 96,3 % in 5000 Zyklen.

Hierin wurde ein einfacher und unkomplizierter Produktionsweg für die Herstellung von Hochleistungs-Superkondensatorzellen vorgeschlagen. In diesem Zusammenhang wurde MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel synthetisiert und als aktives Elektrodenmaterial für einen symmetrischen Superkondensator verwendet. Die spezifischen Kapazitätswerte wurden zu 420,3 Fg−1 und 319,9 F g−1 bei einer Stromdichte von 0,5 A g−1 bzw. 10,0 A g−1 berechnet. Die zyklische Stabilität des Superkondensators wurde über 5000 aufeinanderfolgende CV-Zyklen bewertet und es wurde festgestellt, dass die Kapazitätserhaltung 96,38 % beträgt. Darüber hinaus bietet die zusammengesetzte Superkondensatorzelle auf MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogelbasis eine überlegene Energiedichte von 36,6 Wh kg−1, selbst bei einer hohen Leistungsdichte von 8,36 kW kg−1. Die Ergebnisse bestätigen, dass synthetisiertes MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel erfolgreich als hochenergetisches Superkondensator-Elektrodenmaterial eingesetzt werden kann. Man kann daher spekulieren, dass diese Arbeit den Weg für die Entwicklung und Gestaltung leistungsstarker Energiespeichersysteme auf Basis hybrider Nanomaterialien ebnet.

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

Zhu, Y. et al. Superkondensatoren auf Kohlenstoffbasis, hergestellt durch Aktivierung von Graphen. Wissenschaft 332, 1537–1541 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Chmiola, J., Largeot, C., Taberna, PL, Simon, P. & Gogotsi, Y. Monolithische, aus Karbid gewonnene Kohlenstofffilme für Mikro-Superkondensatoren. Wissenschaft 328, 480–483 (2010).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Simon, P. & Gogotsi, Y. Kapazitive Energiespeicherung in nanostrukturierten Kohlenstoff-Elektrolyt-Systemen. Acc Chem Res. 46, 1094–10103 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Niu, Z. et al. Kompakt gestaltete Superkondensatoren mit freistehenden einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrenfilmen. Energieumwelt. Wissenschaft. 4, 1440–1446 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Izadinajafabadi, A. et al. Ausschöpfung des vollen Potenzials einwandiger Kohlenstoffnanoröhren als langlebige Superkondensatorelektroden, die bei 4 V mit hoher Leistungs- und Energiedichte betrieben werden können. Adv. Mater. 22, E235–E241 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Inagaki, M., Konno, H. & Tanaike, O. Kohlenstoffmaterialien für elektrochemische Kondensatoren. J. Power Sources 195, 7880–7903 (2010).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Delbari, SA et al. Elektrodenmaterialien auf der Basis von Übergangsmetalloxiden für flexible Superkondensatoren: eine Übersicht. J. Legierung. Compd. 857, 158281 (2020).

Artikel Google Scholar

Jiang, H., Ma, J. & Li, C. Hierarchische poröse NiCo2O4-Nanodrähte für Hochgeschwindigkeits-Superkondensatoren. Chem. Komm. 48, 4465–4467 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Yan, Y., Li, B., Guo, W., Pang, H. & Xue, H. Vanadiumbasierte Materialien als Elektrodenmaterialien für Hochleistungs-Superkondensatoren. J. Power Sources 329, 148–169 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhang, Y., Li, L., Su, H., Huang, W. & Dong, X. Binäres Metalloxid: fortschrittliche Energiespeichermaterialien in Superkondensatoren. J. Mater. Chem. 3, 43–59 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Cui, CJ et al. Hoch elektrisch leitende mesoporöse Graphen-Nanofasern und ihre Kapazitätsleistung bei 4 VJ Am. Chem. Soc. 136, 2256–2259 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kaur, S., Ajayan, PM & Kane, RS Design und Charakterisierung dreidimensionaler Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Schaumstoffe. J. Phys. Chem. B 110, 21377–21380 (2006).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Sha, J. et al. Herstellung dreidimensionaler Graphenschäume mithilfe pulvermetallurgischer Vorlagen. ACS Nano 10, 1411–1416 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Chen, Z. et al. Dreidimensionale, flexible und leitende, miteinander verbundene Graphennetzwerke, die durch chemische Gasphasenabscheidung erzeugt werden. Nat. Mater. 10, 424 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Liu, X. et al. Graphen-Nanodrähte, die durch Selbstorganisation an 3D-Graphenschaum verankert sind, für eine leistungsstarke Li- und Na-Ionenspeicherung. Nano Energy 37, 108–117 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Tian, ​​J., Cui, C., Zheng, C. & Qian, W. Mesoporöse röhrenförmige Graphenelektrode für Hochleistungs-Superkondensatoren. Kinn. Chem. Lette. 29, 599–602 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Zhu, C. et al. Hoch komprimierbare 3D-periodische Graphen-Aerogel-Mikrogitter. Nat. Komm. 6, 6962 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhuangjun, F. et al. Ein dreidimensionales Kohlenstoffnanoröhren/Graphen-Sandwich und seine Anwendung als Elektrode in Superkondensatoren. Adv. Mater. 22, 3723–3728 (2010).

Artikel Google Scholar

Zhu, Y. et al. Ein nahtloses dreidimensionales Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Graphen-Hybridmaterial. Nat. Komm. 3, 1225 (2012).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Tang, C., Zhang, Q., Zhao, M.-Q., Tian, ​​G.-L. & Wei, F. Resilient ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren/Graphen-Sandwiches für eine robuste mechanische Energiespeicherung. Nano Energy 7, 161–169 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Korkmaz, S. & Kariper, İA. Aerogele auf Graphen- und Graphenoxidbasis: Synthese, Eigenschaften und Superkondensatoranwendungen. J. Energy Storage 27, 101038 (2020).

Artikel Google Scholar

Zhang, C. et al. Synthese von mit RuO2 dekorierten Quasi-Graphen-Nanoblättern und ihre Anwendung in Superkondensatoren. RSC Adv. 4, 11197–11205 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Chaitra, K. et al. Hohe Energiedichteleistung eines hydrothermisch hergestellten Verbundwerkstoffs aus wasserhaltigem Rutheniumoxid und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren: Entwurf eines asymmetrischen Superkondensators mit ausgezeichneter Zyklenlebensdauer. J. Energy Chem. 25, 627–635 (2016).

Artikel Google Scholar

Das, RK, Liu, B., Reynolds, JR & Rinzler, AG Konstruierte Makroporosität in einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrenfilmen. Nano Lett. 9, 677–683 (2009).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Asim, S. et al. Mit RuO2-Nanostäben dekorierte CNTs bilden Kohlenstoffgewebe als freistehende Elektrode für Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien. Elektrochim. Acta 326, 135009 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Arabale, G. et al. Verbesserte Superkapazität mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren, funktionalisiert mit Rutheniumoxid. Chem. Physik. Lette. 376, 207–213 (2003).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Liu, CC et al. Planare Ultrakondensatoren aus Miniatur-Interdigitalelektroden, beladen mit wasserhaltigem RuO2 und RuO2-Nanostäben. J. Electrochim. Acta 55, 5768–5774 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Arnold, CB, Wartena, RC, Swider-Lyons, KE & Pique, A. Direktschreibende planare Mikroultrakondensatoren durch Lasertechnik. J. Elektrochem. Soc. 150, A571–A575 (2003).

Artikel CAS Google Scholar

Makino, S., Yamauchi, Y. & Sugimoto, W. Synthese von elektroabgeschiedenem geordnetem mesoporösem RuOx unter Verwendung lyotroper Flüssigkristalle und Anwendung auf Mikro-Superkondensatoren. J. Power Sources 227, 153–160 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Karaman, C., Bayram, E., Karaman, O. & Aktas, Z. Herstellung von stickstoffdotiertem Graphen mit großer Oberfläche zur Bewertung der morphologischen Eigenschaften und der Auswirkungen des Stickstoffgehalts auf Superkondensatoren. J ElectroanalChem 868, 114197 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Karaman, C., Aktaş, Z., Bayram, E., Karaman, O. & Kızıl, Ç. Korrelation zwischen der Molekularstruktur des Reduktionsmittels und dem pH-Wert der Graphenoxiddispersion bei der Bildung von 3D-Graphennetzwerken. ECS J. Solid State Sci. Technol. 9(7), 071003 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Güler, Ö. Mechanische und thermische Eigenschaften eines Cu-CNT-Verbundwerkstoffs mit Kohlenstoffnanoröhren, synthetisiert durch CVD-Verfahren. Mater. Prüfen. 56, 9 (2014).

Google Scholar

Polshettiwar, V. & Varma, RS Nanopartikelgestützter und magnetisch rückgewinnbarer Rutheniumhydroxid-Katalysator: effiziente Hydratation von Nitrilen zu Amiden in wässrigem Medium. Chem. EUR. J. 15, 1582–1586 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wang, Y. & Herron, N. Nanometergroße Halbleitercluster: Materialsynthese, Quantengrößeneffekte und photophysikalische Eigenschaften. J. Phys. Chem. 95, 525–532 (1991).

Artikel CAS Google Scholar

Yousefi, AT et al. Schnelle Synthese mehrschichtiger Kohlenstoffnanoröhren aus Kampferöl als Energiespeichermaterial. J. Biomed. Biotechnologie. https://doi.org/10.1155/2014/691537 (2014).

Artikel Google Scholar

Chaudret, BN, Cole-Hamilton, DJ, Nohr, RS, Wilkinson, G. Die Reaktionen von Chlorhydrido- und Dichlortris(triphenylphosphin)ruthenium(II) mit Alkalihydroxiden und Alkoxiden. Hydridohydroxobis(triphenylphosphin)ruthenium(II)-monosolvate, ihre Reaktionen und verwandte Verbindungen. J. Chem. Soc. Dalton Trans. (1977) 1546–1557.

Lia, Y. et al. Wachstum ultrafeiner SnO2-Nanopartikel in mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Netzwerken: Synthese ohne Lösung und hervorragende elektrochemische Eigenschaften als Anoden für Lithium-Ionen-Batterien. Elektrochim. Acta 178, 778–785 (2015).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Studie wird vom BAP-Projekt mit dem Projektcode FBA-2020-9885 unterstützt. Die Autoren danken der Erciyes University-BAP.

Abteilung für Elektrotechnik und Elektronik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Karabuk-Universität, 78050, Karabük, Türkei

Satiye Korkmaz

Fakultät für Bildungswissenschaften, Erciyes-Universität, 38039, Kayseri, Türkei

İshak Afşin Kariper

Abteilung für Elektrizität und Energie, Universität Akdeniz, 07058, Antalya, Türkei

Ceren Karaman

Abteilung für medizinische Bildgebungstechniken, Universität Akdeniz, 07058, Antalya, Türkei

Onur Karaman

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

İ.AK: Konzeptualisierung, Methodik, Untersuchung, Datenkuration, Schreiben – Vorbereitung des Originalentwurfs. SK: Methodik, Untersuchung, Datenkuration, Visualisierung, Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung. OK: Methodik, Untersuchung, Validierung, Datenkuratierung, Schreiben – Vorbereitung des Originalentwurfs, Visualisierung. CK: Konzeptualisierung, Methodik, Untersuchung, Datenkuration, Schreiben – Vorbereitung des Originalentwurfs, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung der Entwurfsvorbereitung.

Korrespondenz mit İshak Afşin Kariper, Ceren Karaman oder Onur Karaman.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Korkmaz, S., Kariper, İ.A., Karaman, C. et al. Herstellung von MWCNT/Rutheniumhydroxid-Aerogel-Superkondensatoren und Untersuchung der elektrochemischen Leistung. Sci Rep 12, 12862 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17286-w

Zitat herunterladen

Eingegangen: 06. April 2022

Angenommen: 22. Juli 2022

Veröffentlicht: 27. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17286-w

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.