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May 25, 2023

Rapports scientifiques volume 6, Numéro d'article : 20021 (2016) Citer cet article

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Les performances électrochimiques et le coût de production sont les principales préoccupations pour l’application pratique des supercondensateurs. Nous rapportons ici une méthode simple et universellement applicable pour préparer des oxydes métalliques hybrides par réaction redox métallique en utilisant pour la première fois la réductibilité inhérente des métaux et leur oxydabilité. À titre d’exemple, des nanofeuilles hybrides Ni(OH)2/MnO2 (NMNS) sont cultivées pour une application de supercondensateur par auto-réaction de substrats en mousse de Ni dans une solution de KMnO4 à température ambiante. Les nanofeuilles hybrides obtenues présentent une capacité spécifique élevée (2 937 F g−1). Les pseudocondensateurs asymétriques à semi-conducteurs assemblés possèdent une densité d'énergie ultra-élevée de 91,13 Wh kg−1 (à la densité de puissance de 750 W kg−1) et une stabilité de cyclage extraordinaire avec une rétention de capacité de 92,28 % après 25 000 cycles. Les oxydes hybrides Co(OH)2/MnO2 et Fe2O3/MnO2 sont également synthétisés grâce à ce mécanisme rédox métallique. Cette méthode verte et peu coûteuse est capable de produire à grande échelle et de préparer les électrodes en une seule étape, ce qui est prometteur pour une application pratique de pseudocondensateurs hautes performances.

En termes de mécanisme de stockage de charge, les supercondensateurs peuvent être classés en condensateurs électrochimiques à double couche (EDLC) et en pseudocondensateurs. Les EDLC, qui utilisent généralement des matériaux carbonés tels que le carbone nanoporeux dérivé de structures métallo-organiques1,2 et le graphène3 comme matériaux d'électrode, possèdent une capacité de puissance élevée et une bonne stabilité. Récemment, les pseudocondensateurs ont attiré une attention particulière en raison de leur capacité à stocker beaucoup plus d’énergie électrique que les EDLC à base de carbone4,5. Ces dernières années, des efforts considérables ont été consacrés à l’exploration de matériaux pseudocapacitifs hautes performances en raison de leurs capacités spécifiques théoriques élevées6,7,8. Parmi divers matériaux pseudocapacitifs, les oxydes/hydroxydes de métaux de transition tels que RuO2, MnOx, NiO, Ni(OH)2, CoOx, Co(OH)2, VOx et FeOx ont présenté des performances attrayantes pour les applications de supercondensateurs9,10,11,12,13. ,14,15,16. Les méthodes typiques de préparation des oxydes pseudocapacitifs comprennent la synthèse hydrothermale12,16,17,18,19,20,21, l'électrodéposition9,15,22,23,24 et la synthèse en phase solution10,11,14,25,26,27,28. La synthèse hydrothermale est généralement basée sur des réactions chimiques impliquant les réactifs contenant l'élément métallique correspondant à haute température et pression tandis que l'électrodéposition se déroule par réaction redox assistée par potentiel de sels métalliques. Pour ces deux méthodes, la productivité ou la taille (sur supports) des produits sont principalement limitées par le matériel nécessaire. Comparée à la synthèse hydrothermale et à l’électrodéposition, la synthèse en phase solution est simple, peu coûteuse et capable d’une production à grande échelle. Généralement, la synthèse en phase solution repose sur une réaction chimique à température ambiante entraînée par les changements d’énergie libre ou la différence de potentiel redox. Par exemple, pour la préparation de Ni(OH)2 et Co(OH)2, les sels de Ni et Co sont utilisés sur la base de la réaction chimique de Mx+ + xOH− = M(OH)x (M = Ni, Co) sous des conditions basiques. conditions14,26. En ce qui concerne le MnO2, divers agents réducteurs sont utilisés tels que le sulfate de manganèse10, le borohydrure de potassium29, l'hypophosphite de sodium29, l'acide chlorhydrique29, l'éthylèneglycol30 et le carbone13,31,32 pour réduire le KMnO4. Parmi ces agents réducteurs, le carbone est largement utilisé suivant l'équation (1)13,31,32 :

De manière analogue à cette réaction redox, les métaux zérovalents devraient pouvoir se réduire en raison de la réductibilité inhérente des métaux33 et de l'oxydabilité des . Mais de manière différente, les produits peuvent ne pas être du MnO2 pur car l’oxyde ou l’hydroxyde métallique produit simultanément est insoluble. Par conséquent, cela pourrait constituer une nouvelle voie pour préparer des oxydes métalliques hybrides. Il a été rapporté que la combinaison de différents oxydes métalliques peut générer des effets synergiques et complémentaires pour l'application des supercondensateurs, obtenant ainsi des propriétés améliorées et polyvalentes13,18,34. Cependant, à notre connaissance, la préparation d'oxydes métalliques hybrides par cette voie n'a pas été rapportée à ce jour.