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May 25, 2023

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 20021 (2016) Citare questo articolo

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Le prestazioni elettrochimiche e i costi di produzione sono le principali preoccupazioni per l’applicazione pratica dei supercondensatori. Qui riportiamo un metodo semplice e universalmente applicabile per preparare ossidi metallici ibridi mediante reazione redox metallica utilizzando per la prima volta la riducibilità intrinseca dei metalli e l'ossidabilità. Ad esempio, i nanofogli ibridi Ni(OH)2/MnO2 (NMNS) vengono coltivati ​​per l'applicazione su supercondensatori mediante autoreazione di substrati di schiuma di Ni in soluzione KMnO4 a temperatura ambiente. I nanofogli ibridi ottenuti mostrano un'elevata capacità specifica (2.937 F g−1). Gli pseudocondensatori asimmetrici a stato solido assemblati possiedono una densità di energia ultraelevata di 91,13 Wh kg−1 (alla densità di potenza di 750 W kg−1) e una straordinaria stabilità di ciclo con ritenzione della capacità del 92,28% dopo 25.000 cicli. Anche gli ossidi ibridi Co(OH)2/MnO2 e Fe2O3/MnO2 vengono sintetizzati attraverso questo meccanismo redox del metallo. Questo metodo ecologico e a basso costo è in grado di produrre su larga scala e preparare gli elettrodi in un’unica fase, promettendo l’applicazione pratica di pseudocondensatori ad alte prestazioni.

In termini di meccanismo di accumulo della carica, i supercondensatori possono essere classificati in condensatori elettrochimici a doppio strato (EDLC) e pseudocondensatori. Gli EDLC, che di solito utilizzano materiali di carbonio come il carbonio nanoporoso derivato da strutture metallo-organiche1,2 e grafene3 come materiali degli elettrodi, possiedono elevata capacità di potenza e buona stabilità. Recentemente, gli pseudocondensatori hanno attirato particolare attenzione grazie alla capacità di immagazzinare molta più energia elettrica rispetto agli EDLC a base di carbonio4,5. Negli ultimi anni, sono stati dedicati sforzi considerevoli all'esplorazione di materiali pseudocapacitivi ad alte prestazioni a causa delle loro elevate capacità teoriche specifiche6,7,8. Tra i vari materiali pseudocapacitivi, gli ossidi/idrossidi di metalli di transizione come RuO2, MnOx, NiO, Ni(OH)2, CoOx, Co(OH)2, VOx e FeOx hanno mostrato prestazioni interessanti per l'applicazione dei supercondensatori9,10,11,12,13 ,14,15,16. I metodi tipici per preparare gli ossidi pseudocapacitivi includono la sintesi idrotermale12,16,17,18,19,20,21, l'elettrodeposizione9,15,22,23,24 e la sintesi in fase di soluzione10,11,14,25,26,27,28. La sintesi idrotermale si basa generalmente su reazioni chimiche che coinvolgono i reagenti contenenti il ​​corrispondente elemento metallico ad alta temperatura e pressione mentre l'elettrodeposizione procede attraverso una reazione redox assistita da potenziale di sali metallici. Per questi due metodi, la produttività o le dimensioni (sui substrati) dei prodotti sono principalmente limitate dalle attrezzature richieste. Rispetto alla sintesi idrotermale e all'elettrodeposizione, la sintesi in fase di soluzione è semplice, economica e capace di produzione su larga scala. Generalmente, la sintesi in fase di soluzione si basa sulla reazione chimica a temperatura ambiente guidata dai cambiamenti di energia libera o dalla differenza nel potenziale redox. Ad esempio, per la preparazione di Ni(OH)2 e Co(OH)2, vengono utilizzati i sali di Ni e Co in base alla reazione chimica di Mx+ + xOH− = M(OH)x (M = Ni, Co) in condizioni basiche condizioni14,26. Per quanto riguarda MnO2, vengono utilizzati vari agenti riducenti come solfato di manganese10, boroidruro di potassio29, ipofosfito di sodio29, acido cloridrico29, glicole etilenico30 e carbonio13,31,32 per ridurre KMnO4. Tra questi agenti riducenti, il carbonio è ampiamente utilizzato seguendo l'equazione (1)13,31,32:

Analogamente a questa reazione redox, i metalli zerovalenti dovrebbero essere in grado di ridursi a causa della riducibilità intrinseca dei metalli33 e dell'ossidabilità di . Ma diversamente i prodotti potrebbero non essere MnO2 puro perché l'ossido o l'idrossido metallico prodotto contemporaneamente è insolubile. Pertanto, questa potrebbe essere una nuova strada per preparare ossidi metallici ibridi. È stato riportato che la combinazione di diversi ossidi metallici può generare effetti sinergici e complementari per l'applicazione dei supercondensatori, ottenendo proprietà migliorate e versatili13,18,34. Tuttavia, per quanto ne sappiamo, la preparazione di ossidi metallici ibridi tramite questo percorso non è stata finora segnalata.