Electrothermally Driven Nucleation Energy Control of Defective Carbon and Nickel–Cobalt Oxide-Based Electrodes

材料科学 成核 氧化物 电极 电化学 化学工程 氧化钴 纳米技术 冶金 化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Kyungmin Kim,Byungseok Seo,Seonghyun Park,Dongjoon Shin,Sungsoo Kim,Wonjoon Choi
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (6): 9772-9784 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c03500
摘要

Multielement metal/metal oxides/carbon-based support hybrids are promising candidates for high-performance electrodes. However, conventional solid-state synthesis utilizing slow heating-cooling rates is limited by discrepancies in their phase transition temperatures. Herein, we report a rational strategy to control the nucleation energy of defective carbon fibers (DCFs) and Ni-Co-oxide-based electrodes capable of electrochemical activation using electrothermal waves (ETWs). The ETWs, triggered by Joule heating passing through CFs and Ni-Co precursors, induce programmable high-temperature processes via adjustable input powers and durations. The first ETW (∼1500 °C) fabricates the presculpted DCFs, while the second ETW (∼600 °C) directly synthesizes NiCo2O4 spinel nanoparticles on the DCFs. Predesigning DCFs through the Gibbs free energy theory enables tunable control of nucleation energy and solution compatibility with Ni-Co precursors, allowing the morphological and compositional design of the optimal NiCo2O4@DCFs hybrids. Furthermore, they are electrochemically activated to change the morphologies and oxidation states of Ni-Co to more stable wrinkled structures strongly anchored to carbon supports and Ni-Co cations with low oxidation numbers. The activated NiCo2O4@DCFs electrodes exhibit outstanding specific capacitance and long-term cyclic stability (∼1925 F g-1 and ∼115-123% for 20 000 cycles). The ETWs offer a facile yet precise method to predesign carbon supports and subsequently synthesize hybrid electrodes.
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