DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-20713-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41120481
تاريخ النشر: 2025-10-21
المؤلف: Manoharan Manikandan وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتخليق مواد الأقطاب متعددة الوظائف، تحديدًا مركبات NiO/أكسيد الجرافين المختزل (NiO/rGO) وNiO/نيتريد الكربون الجرافيتي (NiO/g-C₃N₄)، من خلال طريقة هيدروحرارية تليها معالجة حرارية عند 400 درجة مئوية. تسهل هذه الطريقة الاختزال في الموقع لأكسيد الجرافين (GO) إلى أكسيد الجرافين المختزل (rGO) دون الحاجة إلى عوامل اختزال خارجية، مما يضمن تواصل فعال بين NiO ومصفوفة الكربون الموصل. تم استخدام تقنيات توصيف شاملة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، وتحليل مساحة السطح باستخدام طريقة بروناوير-إيميت-تيلر (BET)، وطيف رامان، وميكروسكوب الإلكترون الماسح بالانبعاث الميداني-طيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (FESEM-EDX)، وطيف الإلكترون الضوئي بالأشعة السينية (XPS)، وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM)، لتأكيد الخصائص الهيكلية والسطحية للمركبات.
أظهرت التقييمات الكهروكيميائية أن أقطاب NiO/rGO وNiO/g-C₃N₄ أظهرت جهدًا زائدًا منخفضًا قدره 126 مللي فولت و73 مللي فولت عند 10 مللي أمبير سم⁻² لتفاعل تطور الهيدروجين (HER) في 1 م KOH، على التوالي، مع إظهار مركب NiO/g-C₃N₄ استقرارًا طويل الأمد مثيرًا للإعجاب على مدى 23 ساعة. بالإضافة إلى ذلك، كأقطاب سوبركاباسيتر، حققوا سعات محددة قدرها 597 فاراد/غ و366 فاراد/غ عند 1 أمبير/غ، متفوقين على العديد من أنظمة NiO-carbon الحالية. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانيات المركبات المُصنّعة للتطبيقات المزدوجة في تخزين الطاقة وتحويلها، مما يمهد الطريق للتقدم في تقنيات الطاقة المستدامة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تضمنت المواد المستخدمة نترات النيكل (II) سداسية الماء (Ni(NO3)2·6H2O)، والتي تم الحصول عليها من مختبرات سيسكو للأبحاث الخاصة المحدودة، وأكسيد الجرافين (GO) الذي تم الحصول عليه من تقنيات ADNANO الخاصة المحدودة. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام هيدروكسيد البوتاسيوم كإلكتروليت، وتم استخدام الماء المقطر طوال التجارب. تم اختيار هذه المواد لتسهيل التحقيق في العمليات الكيميائية والتفاعلات المقصودة.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة عن رؤى هامة حول الخصائص الهيكلية والكهروكيميائية لمركبات NiO/g-C₃N₄ وNiO/rGO. أكدت تحليل حيود الأشعة السينية (PXRD) وجود قمم مميزة تتوافق مع المستويات البلورية لكل من g-C₃N₄ وNiO، مع حيود ملحوظ عند 27.1° لـ g-C₃N₄ وقمم متعددة لـ NiO عند 37.4° و43.6° و63.7° و76.7°. كما أكدت طيف رامان وجود مجموعات وظيفية ومكونات هيكلية في المركبات، مما يبرز مساهمات أكسيد الجرافين المختزل (rGO) ونيتريد الكربون الجرافيتي (g-C₃N₄). أشارت إيزوثيرم امتصاص/إطلاق النيتروجين إلى هيكل مسامي لمركب NiO، مع أقصى مساحة سطح BET قدرها 137.9 م²/غ، بينما أظهرت المركبات مساحات سطح محددة قدرها 46 م²/غ لـ NiO/g-C₃N₄ و52 م²/غ لـ NiO/rGO.
أظهرت تقييمات الأداء الكهروكيميائي أن مركب NiO/rGO أظهر جهدًا زائدًا أقل قدره 73 مللي فولت عند كثافة تيار قدرها 10 مللي أمبير/سم²، مقارنةً بـ 126 مللي فولت لـ NiO/g-C₃N₄، مما يشير إلى كينتيك أفضل لتفاعل تطور الهيدروجين (HER). تم قياس ميل تافل لـ NiO/g-C₃N₄ عند 34 مللي فولت/عقد، مما يشير إلى كفاءة تحفيزية محسنة بسبب تحسين فصل الشحنات. بالإضافة إلى ذلك، حقق قطب NiO/rGO سعة محددة ملحوظة قدرها 597 فاراد/غ عند 1 أمبير/غ، متفوقًا بشكل كبير على الأنظمة الأخرى المبلغ عنها. كما أظهر الجهاز أيضًا استقرارًا ممتازًا في الدورات، محتفظًا بـ 99% من سعته بعد 5000 دورة، مما يبرز السلامة الهيكلية التي يوفرها مصفوفة rGO. بشكل عام، تضع النتائج مركب NiO/rGO كمرشح واعد لتطبيقات السوبركاباسيتر المتقدمة، حيث يجمع بين سعة عالية وكثافة طاقة ومتانة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق مادتين مركبتين جديدتين، NiO/rGO (أكسيد النيكل/أكسيد الجرافين المختزل) وNiO/g-C₃N₄ (أكسيد النيكل/نيتريد الكربون الجرافيتي)، لتطبيقات في السوبركاباسيتر والانقسام الكهربائي للماء. تضمنت عملية تخليق g-C₃N₄ بلمرة حرارية للميلاين، بينما تم إنشاء مركب NiO/g-C₃N₄ باستخدام طريقة هيدروحرارية مع نترات النيكل وg-C₃N₄. بالمثل، تم تخليق NiO/rGO عن طريق تعليق أكسيد الجرافين في الماء، تلاه إضافة نترات النيكل ومعالجة لاحقة مشابهة لتلك الخاصة بـ NiO/g-C₃N₄.
تم تقييم الأداء الكهروكيميائي باستخدام تكوين ثلاثي الأقطاب في إلكتروليت 3 م KOH. تم حساب السعة المحددة لمواد الأقطاب، مما يكشف أن مركب NiO/rGO أظهر سعة كهروكيميائية متفوقة واستقرارًا في الدورات، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتطبيقات السوبركاباسيتر. في المقابل، أظهر مركب NiO/g-C₃N₄ أداءً تحفيزيًا ممتازًا في تفاعل تطور الهيدروجين (HER)، مما يشير إلى إمكانيته في الانقسام الكهربائي للماء. بشكل عام، تسلط التأثيرات التآزرية لـ NiO مع الركائز الموصلية في هذه المركبات الضوء على تنوعها ووعدها لتطبيقات الطاقة المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-20713-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41120481
Publication Date: 2025-10-21
Author(s): Manoharan Manikandan et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
The research presents a novel approach for synthesizing multifunctional electrode materials, specifically NiO/reduced graphene oxide (NiO/rGO) and NiO/graphitic carbon nitride (NiO/g-C₃N₄) nanocomposites, through a hydrothermal method followed by annealing at 400 °C. This method facilitates the in-situ reduction of graphene oxide (GO) to reduced graphene oxide (rGO) without the need for external reducing agents, ensuring effective interfacial contact between NiO and the conductive carbon matrix. Comprehensive characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, Raman spectroscopy, field emission scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (FESEM-EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and transmission electron microscopy (TEM), were employed to confirm the structural and surface properties of the composites.
Electrochemical evaluations demonstrated that the NiO/rGO and NiO/g-C₃N₄ electrodes exhibited low overpotentials of 126 mV and 73 mV at 10 mA cm⁻² for the hydrogen evolution reaction (HER) in 1 M KOH, respectively, with the NiO/g-C₃N₄ composite showing impressive long-term stability over 23 hours. Additionally, as supercapacitor electrodes, they achieved specific capacitances of 597 F g⁻¹ and 366 F g⁻¹ at 1 A g⁻¹, outperforming many existing NiO-carbon systems. These findings highlight the potential of the synthesized composites for dual applications in energy storage and conversion, paving the way for advancements in sustainable energy technologies.
Methods
In the experimental section of the study, the materials utilized included Nickel(II) Nitrate Hexahydrate (Ni(NO3)2·6H2O), which was sourced from Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd., and Graphene Oxide (GO) obtained from ADNANO Technologies Pvt. Ltd. Additionally, potassium hydroxide was employed as the electrolyte, and distilled water was used throughout the experiments. These materials were selected to facilitate the investigation of the intended chemical processes and reactions.
Results
The results of the study reveal significant insights into the structural and electrochemical properties of NiO/g-C₃N₄ and NiO/rGO nanocomposites. Powder X-ray diffraction (PXRD) analysis confirmed the presence of characteristic peaks corresponding to the crystal planes of both g-C₃N₄ and NiO, with notable diffraction at 27.1° for g-C₃N₄ and multiple peaks for NiO at 37.4°, 43.6°, 63.7°, and 76.7°. Raman spectroscopy further validated the presence of functional groups and structural components in the composites, highlighting the contributions of reduced graphene oxide (rGO) and graphitic carbon nitride (g-C₃N₄). The nitrogen adsorption/desorption isotherms indicated a mesoporous structure for NiO, with a maximum BET surface area of 137.9 m²/g, while the composites exhibited specific surface areas of 46 m²/g for NiO/g-C₃N₄ and 52 m²/g for NiO/rGO.
Electrochemical performance assessments demonstrated that the NiO/rGO composite exhibited a lower overpotential of 73 mV at a current density of 10 mA/cm², compared to 126 mV for NiO/g-C₃N₄, indicating superior hydrogen evolution reaction (HER) kinetics. The Tafel slope for NiO/g-C₃N₄ was measured at 34 mV/dec, suggesting enhanced catalytic efficiency due to improved charge separation. Additionally, the NiO/rGO electrode achieved a remarkable specific capacitance of 597 F/g at 1 A/g, significantly outperforming other reported systems. The device also demonstrated excellent cycling stability, retaining 99% of its capacitance after 5000 cycles, underscoring the structural integrity provided by the rGO matrix. Overall, the findings position the NiO/rGO composite as a promising candidate for advanced supercapacitor applications, combining high capacitance, energy density, and durability.
Discussion
In this study, two novel composite materials, NiO/rGO (nickel oxide/reduced graphene oxide) and NiO/g-C₃N₄ (nickel oxide/graphitic carbon nitride), were synthesized for applications in supercapacitors and electrochemical water splitting. The synthesis of g-C₃N₄ involved thermal polymerization of melamine, while the NiO/g-C₃N₄ composite was created using a hydrothermal method with nickel nitrate and g-C₃N₄. Similarly, NiO/rGO was synthesized by suspending graphene oxide in water, followed by the addition of nickel nitrate and subsequent processing akin to that of NiO/g-C₃N₄.
Electrochemical performance was evaluated using a three-electrode configuration in a 3 M KOH electrolyte. The specific capacity of the electrode materials was calculated, revealing that the NiO/rGO composite exhibited superior electrochemical capacitance and cycling stability, making it a promising candidate for supercapacitor applications. In contrast, the NiO/g-C₃N₄ composite demonstrated excellent catalytic performance in the hydrogen evolution reaction (HER), indicating its potential for electrochemical water splitting. Overall, the synergistic effects of NiO with conductive substrates in these composites highlight their versatility and promise for sustainable energy applications.