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Scientific Reports volume 13、記事番号: 16221 (2023) 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に基づくエネルギー貯蔵システムの重要性により、さまざまな研究が行われてきました。 この研究では、CuO、NCNO、およびCuO/NCNOのような花がこの分野の新規材料として研究されています。 結果は、合成されたCuOナノ構造体がFE-SEM分析によって研究された花のような形態を有することを示した。 さらに、XRDパターンによりCuO/NCNOナノ複合体の結晶特性が確認され、ラマンによりCuO/NCNOナノ複合体の成分の官能基と振動が確認されました。 電流密度 4 A/g の 2 電極システムでは、静電容量、電力密度、エネルギー密度はそれぞれ 450 F/g、3200 W/kg、98 Wh/kg でした。 CuO 電極と NCNO/CuO 電極の電荷移動抵抗はそれぞれ 8 Ω と 2 Ω となり、ナノコンポジットの導電性と超容量特性が純粋なコンポーネントよりも優れていることを示しています。 また、安定性と低い電荷移動抵抗も、2 対称電極の研究で得られる利点です。 安定性の調査により、連続 3000 サイクル後、CuO/NCNO 電極の初期静電容量はわずか 4% しか減少しなかったことがわかりました。

バッテリーや従来のコンデンサなどのエネルギー貯蔵デバイスは、サイズが大きい、電力密度が低い、静電容量が低い、充電に長時間かかる、寿命が短い、環境汚染があるなどの理由から、使用が制限されてきました1、2、3、4、5、6。 、7、8、9。 超高密度、高速充放電、高静電容量、生体適合性などの優れた特長を備えた電気化学キャパシタを開発し、業界規模の用途（電気自動車、電気設備、工場の電力サポート）などに応用できるスーパーキャパシタを紹介します。は、エネルギー貯蔵デバイスの使用分野で生じた懸念を部分的に解決しました10、11、12、13、14、15、16、17。 電気化学スーパーキャパシタには、電極構造に使用される材料の種類に応じて、電荷を蓄積するための 2 つのメカニズムがあります。 電極と電解質の界面での電荷蓄積メカニズムは、電気二重層キャパシタ (EDLC) におけるイオン吸着によるものです 18,19。 EDLC 電気化学スーパーキャパシタ システムは、主に、活性炭、カーボン ナノチューブ、グラフェンなどの高表面積と多孔質構造を備えた炭素材料で構成されています 20、21、22、23、24、25、26。 擬似コンデンサでは、電荷蓄積メカニズムは酸化還元反応または電子移動 (ファラデー反応) に基づいています。 導電性ポリマー、金属、遷移金属酸化物は、その構造によく使用されます27、28、29、30、31。 カーボンナノ材料は、入手しやすさ、高い化学的および機械的安定性、大きな表面積、および優れた導電性により、電気化学スーパーキャパシタの電極に最適な材料です。 純粋なカーボンナノ材料は電気化学分野、特にエネルギー貯蔵分野で豊富に使用されているにもかかわらず、静電容量が低く、エネルギー密度が低いため、商業利用が制限されています。 炭素マトリックスの構造にリン (P)、窒素 (N)、酸素 (O)、硫黄 (S)、フッ素 (F) などのヘテロ原子をドーピングすることは、電気化学的特性を改善し商品化するための適切な修飾アプローチの 1 つです。カーボンナノマテリアル32,33,34。 窒素 (N) ヘテロ原子は、カーボン ナノマテリアルの構造への組み込みの容易さ、異なる化学形態での構造内への配置、酸化還元反応の活性サイトの生成などにより、他のヘテロ原子よりも多く研究されてきました。 また、C 原子や H 原子と比較して電気陰性度が高い N 原子は、隣接する炭素原子に正電荷を誘導し、電極表面の活性サイトを増加させて電解質イオンと結合し、電極の濡れ性を高めます 35,36,37。 カーボンナノオニオン（CNO）は、SP2 ハイブリッド形成を備えた複数のグラフェン層を含むカーボン粒子です 38,39。 CNO 球体の層状構造により、多くのイオン チャネルと細孔が形成されるだけでなく、構造の外表面へのアクセスが容易になり、これらの構造的特徴により電極触媒活性が向上します 40、41、42。 CNO 構造では、優れた電気化学的活性と高い充放電速度にもかかわらず、静電容量と比エネルギーが低くなります 43,44。 CNO 構造の比容量と抵抗を高める基本的なアプローチは、その構造に N 原子をドープすることです。これにより、その表面に電解質イオンが吸着するための活性表面中心が増加し、その結果、静電容量が増加します 43,45。 N ドープ CNO 構造の応用に関して提供された少数の報告に基づくと、スーパーキャパシタ分野におけるこれらの炭素構造の応用を改善するには多くの努力が必要です46。 電極構造に遷移金属酸化物 (TMO) を使用すると、可逆酸化還元反応、エネルギー密度、静電容量が増加します 47,48。 電極構造（擬似容量電極）に TMO を使用すると比静電容量が増加しますが、電位窓が限られているため、エネルギー密度が効果的に低下する可能性があります。 主かつ実用的な解決策は、擬似キャパシタ材料としての TMO と EDLC 材料としてのカーボンナノ材料を組み合わせ、金属酸化物/カーボンナノ構造ベースのナノ複合材料を電気化学スーパーキャパシタの電極材料として適用することによるナノ複合材料の製造である49,50。 前述のナノコンポジット材料で作られたコンデンサは、EDLC コンデンサと擬似コンデンサのハイブリッドであり、両方のタイプの優れた特性を備えています。