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May 25, 2023

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 20021(2016) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

슈퍼커패시터의 실제 적용에 있어 전기화학적 성능과 생산 비용은 주요 관심사이다. 여기서 우리는 처음으로 금속 고유의 환원성과 산화성을 활용하여 금속 산화환원 반응을 통해 하이브리드 금속 산화물을 제조하는 간단하고 보편적으로 적용 가능한 방법을 보고합니다. 예를 들어, Ni(OH)2/MnO2 하이브리드 나노시트(NMNS)는 실온의 KMnO4 용액에서 Ni 폼 기판의 자가 반응을 통해 슈퍼커패시터 응용을 위해 성장합니다. 획득된 하이브리드 나노시트는 높은 비축전용량(2,937 F g−1)을 나타냅니다. 조립된 고체 비대칭 의사 커패시터는 91.13Wh kg−1(750Wkg−1의 전력 밀도에서)의 초고에너지 밀도와 25,000사이클 후 92.28%의 정전용량 유지율로 뛰어난 사이클링 안정성을 보유합니다. Co(OH)2/MnO2 및 Fe2O3/MnO2 하이브리드 산화물도 이러한 금속 산화환원 메커니즘을 통해 합성됩니다. 이 친환경적이고 저렴한 방법은 대규모 생산과 전극의 원스텝 준비가 가능하여 고성능 유사 커패시터의 실용화를 약속합니다.

전하 저장 메커니즘 측면에서 슈퍼커패시터는 전기화학적 이중층 커패시터(EDLC)와 유사 커패시터로 분류될 수 있습니다. 일반적으로 금속-유기 구조1,2 및 그래핀3에서 파생된 나노다공성 탄소와 같은 탄소 재료를 전극 재료로 사용하는 EDLC는 높은 출력 성능과 우수한 안정성을 가지고 있습니다. 최근 의사 커패시터는 탄소 기반 EDLC보다 훨씬 더 많은 전기 에너지를 저장할 수 있는 능력으로 인해 특별한 주목을 받고 있습니다. 최근 몇 년 동안 높은 이론적 비정전용량으로 인해 고성능 의사 용량성 재료를 탐색하기 위해 상당한 노력이 기울여졌습니다. 다양한 유사 용량성 재료 중에서 RuO2, MnOx, NiO, Ni(OH)2, CoOx, Co(OH)2, VOx 및 FeOx와 같은 전이 금속 산화물/수산화물은 슈퍼커패시터 응용 분야에서 매력적인 성능을 나타냈습니다9,10,11,12,13 ,14,15,16. 유사 용량성 산화물을 제조하는 일반적인 방법에는 수열 합성12,16,17,18,19,20,21, 전착9,15,22,23,24 및 용액상 합성10,11,14,25,26,27,28이 포함됩니다. 수열 합성은 일반적으로 해당 금속 원소를 포함하는 시약을 고온 및 고압에서 포함하는 화학 반응을 기반으로 하며, 전착은 금속 염의 전위 보조 산화 환원 반응을 통해 진행됩니다. 이 두 가지 방법의 경우 생산성이나 제품의 크기(기판)는 주로 필요한 장비에 의해 제한됩니다. 수열합성이나 전착에 비해 용액상 합성은 간단하고 비용이 저렴하며 대규모 생산이 가능하다. 일반적으로 용액상 합성은 자유 에너지 변화 또는 산화환원 전위의 차이에 의해 구동되는 실온 화학 반응에 의존합니다. 예를 들어, Ni(OH)2 및 Co(OH)2 제조에는 염기성 하에서 Mx+ + xOH- = M(OH)x (M = Ni, Co)의 화학 반응을 기반으로 Ni 및 Co 염이 사용됩니다. 조건14,26. MnO2의 경우 황산망간10, 수소화붕소칼륨29, 차아인산나트륨29, 염산29, 에틸렌글리콜30, 탄소13,31,32 등 다양한 환원제를 활용하여 KMnO4를 환원시킵니다. 이러한 환원제 중에서 탄소는 식 (1)13,31,32에 따라 널리 사용됩니다.

이 산화환원 반응과 유사하게, 0가 금속은 금속의 고유한 환원성과 산화성으로 인해 환원될 수 있어야 합니다. 그러나 동시에 생성된 금속 산화물이나 수산화물은 불용성이므로 생성물은 순수한 MnO2가 아닐 수도 있습니다. 따라서 이는 하이브리드 금속 산화물을 제조하는 새로운 방법이 될 수 있습니다. 다양한 금속 산화물을 혼합하면 슈퍼커패시터 적용을 위한 시너지 효과와 보완 효과가 발생하여 향상되고 다양한 특성을 얻을 수 있다고 보고되었습니다. 그러나 우리가 아는 한, 이 경로에 의한 하이브리드 금속 산화물의 제조는 현재까지 보고되지 않았습니다.