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May 25, 2023

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 20021 (2016) Citar este artigo

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O desempenho eletroquímico e o custo de produção são as principais preocupações para a aplicação prática dos supercapacitores. Aqui relatamos um método simples e universalmente aplicável para preparar óxidos metálicos híbridos por reação redox metálica, utilizando pela primeira vez a redutibilidade inerente dos metais e a oxidabilidade. Como exemplo, nanofolhas híbridas de Ni(OH)2/MnO2 (NMNSs) são cultivadas para aplicação em supercapacitores por auto-reação de substratos de espuma de Ni em solução de KMnO4 à temperatura ambiente. As nanofolhas híbridas obtidas exibem alta capacitância específica (2.937 F g-1). Os pseudocapacitores assimétricos de estado sólido montados possuem densidade de energia ultra-alta de 91,13 Wh kg-1 (na densidade de potência de 750 W kg-1) e extraordinária estabilidade de ciclagem com retenção de capacitância de 92,28% após 25.000 ciclos. Os óxidos híbridos Co(OH)2/MnO2 e Fe2O3/MnO2 também são sintetizados através deste mecanismo redox metálico. Este método verde e de baixo custo é capaz de produção em larga escala e preparação dos eletrodos em uma única etapa, sendo uma promessa para a aplicação prática de pseudocapacitores de alto desempenho.

Em termos do mecanismo de armazenamento de carga, os supercapacitores podem ser classificados em capacitores eletroquímicos de dupla camada (EDLCs) e pseudocapacitores. Os EDLCs, que geralmente utilizam materiais de carbono, como carbono nanoporoso derivado de estruturas metal-orgânicas e grafeno3 como materiais de eletrodo, possuem alta capacidade de potência e boa estabilidade. Recentemente, os pseudocapacitores têm atraído atenção especial devido à capacidade de armazenar muito mais energia elétrica do que os EDLCs baseados em carbono . Nos últimos anos, esforços consideráveis ​​​​têm sido dedicados à exploração de materiais pseudocapacitivos de alto desempenho devido às suas altas capacitâncias específicas teóricas . Entre vários materiais pseudocapacitivos, óxidos/hidróxidos de metais de transição como RuO2, MnOx, NiO, Ni(OH)2, CoOx, Co(OH)2, VOx e FeOx exibiram desempenho atraente para aplicação em supercapacitores9,10,11,12,13 ,14,15,16. Os métodos típicos de preparação dos óxidos pseudocapacitivos incluem síntese hidrotérmica 12,16,17,18,19,20,21, eletrodeposição 9,15,22,23,24 e síntese em fase de solução 10,11,14,25,26,27,28. A síntese hidrotérmica é geralmente baseada em reações químicas envolvendo os reagentes contendo o elemento metálico correspondente em alta temperatura e pressão, enquanto a eletrodeposição prossegue através da reação redox assistida por potencial de sais metálicos. Para estes dois métodos, a produtividade ou o tamanho (nos substratos) dos produtos são limitados principalmente pelo equipamento necessário. Comparando com a síntese hidrotérmica e a eletrodeposição, a síntese em fase de solução é simples, de baixo custo e capaz de produção em larga escala. Geralmente, a síntese em fase de solução depende de uma reação química à temperatura ambiente impulsionada pelas alterações de energia livre ou pela diferença no potencial redox. Por exemplo, para a preparação de Ni(OH)2 e Co(OH)2, sais de Ni e Co são usados ​​com base na reação química de Mx+ + xOH− = M(OH)x (M = Ni, Co) sob condições básicas condições14,26. Com relação ao MnO2, vários agentes redutores são utilizados como sulfato de manganês10, borohidreto de potássio29, hipofosfito de sódio29, ácido clorídrico29, etilenoglicol30 e carbono13,31,32 para reduzir o KMnO4. Dentre esses agentes redutores, o carbono é amplamente utilizado seguindo a equação (1)13,31,32:

Análoga a esta reação redox, os metais zerovalentes devem ser capazes de reduzir devido à redutibilidade inerente dos metais e à oxidabilidade de. Mas, diferentemente, os produtos podem não ser MnO2 puro porque o óxido ou hidróxido metálico produzido simultaneamente é insolúvel. Portanto, este pode ser um novo caminho para preparar óxidos metálicos híbridos. Tem sido relatado que a composição de diferentes óxidos metálicos pode gerar efeitos sinérgicos e complementares para aplicação em supercapacitores, obtendo propriedades aprimoradas e versáteis . No entanto, até onde sabemos, a preparação de óxidos metálicos híbridos por esta via não foi relatada até o momento.