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在Singh的实验中,核壳复合纳米结构的合成需要以下两个步骤。首先,通过标准电沉积技术,研究人员先在阳极化氧化铝基底的空穴里制备出多组铁镍纳米线,然后溶解掉基底获得复合纳米线。之后,研究人员将这些纳米线在450℃的氧气环境中放置极短的时间,最后得到高孔隙度的氧化镍氧化铁复合电极壳以及内部的铁镍合金核。
“这种核壳复合纳米结构的优点是高孔隙度的壳纳米层为氧化还原反应提供了非常大的表面积,并且缩短了离子扩散的距离,” Singh说。他解释道:超级电容器是通过氧化还原反应来储存电荷的,这就涉及到一种材料给予电子,离子通过电解质和电极在两极间转移的过程。氧化还原反应的表面积越大,超级电容器的功率密度就会越大。
Singh补充道:“导电铁镍核为电子到达集电器提供了高速通道,这将改善电极的电导率及其他电化学性能,能够满足高性能超级电容器的要求。”
新电极的表现
通过循环伏安法和恒流充放电法,Singh和Mandal研究了这种复合材料电极的电化学性能。实验设置了一个没有纳米结构的电极,比如镍/氧化镍电极和铁/氧化铁电极,结果表明,复合结构电极具有更高的电容,更高的能量密度和更多的充放电次数。
“具体来讲,复合材料电极的能量密度分别是镍/氧化镍和铁/氧化铁电极的3倍和24倍,” Singh这样说。“实验对比结果表明将镍/氧化镍电极与铁/氧化铁电极组合起来之后,得到具有更好电化学性能的电极,这表明复合电极能提升超级电容器的性能。”
Singh的合成方法有一个特点,它不需要额外的粘合剂材料。根据Singh所说,粘合剂通常会用于碳或石墨烯超级电容器的合成中,它的作用是将参加氧化还原反应的物质粘在电极表面。不考虑粘合剂的质量,这种复合电极很适合制备轻质超级电容器。
Singh说:“卓越的电化学性能和材料特性表明,氧化铁-氧化镍的核壳纳米结构电极很适合用来制备轻质、低成本和环保的超级电容器电极,具备现实应用的可能。”
研究人员下一步的计划是在复合电极的基础上制备完整的超级电容器设备,并测试其功能表现。我们向超级电容器的工业生产又近了一步。
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