グラフェン上に欠陥の多いハニカム状のニッケルコバルト硫化物をマイクロ波を用いて高速合成し、超高速スーパーキャパシタを実現した

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J Colloid Interface Sci.2020 Jun;580:160-170. S0021-9797(20)30836-5. doi: 10.1016/j.jcis.2020.06.091.Epub 2020-06-25.

グラフェン上に欠陥の多いハニカム状のニッケルコバルト硫化物をマイクロ波を用いて高速合成し、超高速スーパーキャパシタを実現した

Defect-rich honeycomb-like nickel cobalt sulfides on graphene through rapid microwave-induced synthesis for ultrahigh rate supercapacitors.

Fenglin Zhao
Dong Xie
Wanxia Huang
Xinrui Song
Muhammad Aurang Zeb Gul Sial
Hongliang Wu
Fei Deng
Qi Zhang
Jizhao Zou
Xierong Zeng

PMID: 32683114 DOI: 10.1016/j.jcis.2020.06.091.

抄録

ニッケルコバルト硫化物(NCS)は、多彩な価数状態と豊富な電気化学活性を持つことから、エネルギー貯蔵材料として期待されているが、合成プロセスが遅く、速度性能が劣るため、大規模な応用には至らない。本研究では、ハニカム状のNCS/グラフェン複合体をマイクロ波を用いて効率的に合成し、スーパーキャパシタの超高速電池型電極としての応用を検討している。マイクロ波によるNCSの合成時間は、内部発熱機構により、数時間から数分に短縮された。密度汎関数理論を用いてNCSとグラフェンの界面効果を解析した結果、ショットキー障壁は酸化還元活性と容量の増大に有利であることを明らかにした。最終的に、得られた熱処理を施した欠陥の多いニッケルコバルト硫化物/グラフェン(NCS/G-H)は、1A gで1186F gという高い比誘電率を示し、電流密度を20倍以上に増加させても89.8%の容量を維持することができ、裸のNCSやNCS/グラフェンに比べてはるかに優れていることがわかった。さらに、NCS/G-Hハイブリッドスーパーキャパシタは、46.4Wh kgという最高のエネルギー密度を実現し、10kサイクル後も89.2%という優れた長期安定性を維持しています。これらの結果は、マイクロ波誘導液体プロセスを用いて合成したNCS/G-Hが、スーパーキャパシタのハイレート材料として有用であることを示している。

Nickel cobalt sulfides (NCS) are regarded as potential energy storage materials due to the versatile valent states and rich electrochemical activity, but their sluggish synthesis process and inferior rate performance hinder them from large-scale application. Herein, microwave-induced strategy has been employed for efficient synthesis of honeycomb-like NCS/graphene composites, which are explored as ultrahigh rate battery-type electrodes for supercapacitors. Due to the internal heat mechanism, the synthesis time of NCS by microwave could be shortened from hours to minutes. Density functional theory was simulated to uncover the interfacial effect between NCS and graphene, and the resulted Schottky barrier is in favor of enhancing redox activity and capacity. Ultimately, the obtained defect-rich nickel cobalt sulfides/graphene with thermal treatment (NCS/G-H) could exhibit a high specific capacitance of 1186 F g at 1 A g and sustain 89.8% capacity even after the increase of current density over 20 times, which is much superior to bare NCS and NCS/graphene. Furthermore, the assembled NCS/G-H hybrid supercapacitor delivers supreme energy density of 46.4 Wh kg, and retains outstanding long-term stability of 89.2% after 10 k cycles. These results indicate that the synthesized NCS/G-H by time-saving microwave-induced liquid process could be served as high rate materials for supercapacitors.