It is evident that fossil fuels have led to incredible advancements in our life. However, their exhaustion has badly affected our environment by generating greenhouse gases and increasing air pollution. This is why nowadays, there is an urgent demand on green energy. This latter can be obtained from different sources coming from wind, solar power, etc. For sure these sources are abundant and for free, however, storing the energy coming from them to be used where and when needed is the issue.
There exist several types of energy storage devices, where supercapacitors (SCs) are one of the most commonly used. SCs are known to have high power density, fast charge-discharge, and long cycle life. Despite all these advantages, their high cost of manufacturing and low energy density limit their commercialization. Many efforts have been made to resolve these problems by developing novels materials that can be cheap and can deliver high energy density while keeping good stability. Hybrid porous carbon nanofibers (CNFs) doped with metal oxides are one of the systems found to satisfy these characteristics when used as electrodes for SCs.
In this study, a free-standing hybrid nanomaterial “Cobalt oxide doped CNFs” was made from a biopolymer “corn starch” by means of a cost-effective and scalable technique “electrospinning”. A subsequent immersion in cobalt acetate solution was proceeded in order to introduce cobalt into CNFs, followed by a final calcination to get $Co_3O_4$ nanoparticles. The obtained hybrid nanofibers exhibit highly porous microstructure with a suitable pore size distribution. This facile dip-coating process led to formation of $Co_3O_4$ which further enhanced the electrochemical properties of the hybrid nanofibers such as specific capacitance and discharge time, and contributed to a good stable cycle life.
본 연구에서는 대량생산이 가능하고 경제적인 전기방사법을 통해 $Co_3O_4/C$ 하이브리드 나노섬유를 제조하였고, 열처리 공정 최적화를 통해 제조된 나노섬유의 비표면적을 최대화하였으며 간단한 함침 공정과 하소 공정을 통해 $Co_3O_4$ 나노입자를 CNF에 형성하였다.
제조된 하이브리드 나노섬유는 $Co_3O_4$ 나노입자의 흑연화 촉매 역할로 다공성의 미세구조를 갖고 있고 흑연 부분의 결정성이 향상되었다.
$Co_3O_4$ 전구체가 포함된 용액의 농도와 함침 시간의 최적화를 통해 하이브리드 나노섬유의 비표면적과 기공 크기를 최적화하였다.
0.2M 농도의 용액에 1시간 함침시킨 CNF가 가장 높은 비표면적 (964m2/g) 및 2.45nm 의 기공 크기를 보유하고 있고, 전기화학적 특성 평가에서도 최소화된 충방전 확산 간극으로 인한 높은 젖음성을 통해 우수한 특성을 보였다.
CNF의 우수한 전기특성은 하이브리드 나노섬유에서의 이온 이동을 원활하게 하였고, 이는 슈퍼캐패시터 전극에서의 전기화학적 특성을 향상시켰다.
모든 샘플은 전형적인 슈퍼커패시터 축전 성능을 보였으며, 함침 용액의 농도와 시간이 특정 지점에 다다를 때까지 비축전용량은 향상되었다. 0.2M 코발트 아세트산 용액에 1시간 동안 함침된 시편에서 1A/g 기준으로 순수 CNF에 비해서 3배 이상 높은 137 F/g의 비축전용량을 보였다. 그리고 $Co_3O_4/C$ 하이브리드 나노섬유 전극은 5000회 충방전 시험에서 91%의 안정성을 나타냈고, 1V에서 19Wh/kg의 에너지밀도를 보였다.
