Quasi-2D crystals as an electrode material for high energy storage devices

Б.А. Лукіянець; Д.В. Матулка

doi:10.15330/pcss.25.4.750-756

Автор(и)

Б.А. Лукіянець Національний університет "Львівська політехніка", Львів, Україна
Д.В. Матулка Національний університет "Львівська політехніка", Львів, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.4.750-756

Ключові слова:

високоефективний накопичувач енергії, квазі-2D кристал, пористий матеріал, суперконденсатор, густина енергії

Анотація

Високе значення питомої поверхні в квазі-2D кристалах, з можливістю широкого варіювання їх властивостей під впливом зовнішніх факторів, дозволяє розглядати їх як електродні матеріали для суперконденсаторів. Запропоновано модель для опису характерних фізичних властивостей таких кристалів, зумовлених різними типами хімічних зв'язків у них. Отриманий електронний спектр має структуру (дискретні рівні) + (двовимірні зони) або (міні-зони) + (двовимірні зони). За допомогою вивчення густини енергії накопичення W в межах мікроскопічної моделі було виявлено значний зв'язок між геометричними, спектральними та статистичними властивостями квазі-2D кристалів. На відміну від існуючих моделей, запропонована модель показує, що за певних умов існують два або більше оптимальних розміри кристалів, де реалізується експериментально спостережуваний максимум густини енергії W. Модель та її якісні висновки слід розглядати як результат мікроскопічного підходу до вирішення цієї задачі.

Посилання

Q.H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J.N. Coleman, M.S. Strano, Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides, Nat. Nanotechnol., 7, 699 (2012); https://doi.org/10.1038/nnano.2012.193.

J. Tian, R. Tice, V. Fei, X. Tran, L Yan,. H. Yang, Wang, Low-symmetry two-dimensional materials for electronic and photonic applications, Nano Today, 11(6), 763 (2016); https://doi.org/10.1016/j.nantod.2016.10.003.

M.B. Wazir, M. Daud, N. Ullah, A. Hai, A. Muhammad, M. Younas, M. Rezakazemi, Synergistic properties of molybdenum disulfide (MoS2) with electro-active materials for high-performance supercapacitors, International Journal of Hydrogen Energy. 44(33), 17470 (2019); https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.265.

P. Forouzandeh, S.C. Pillai, Two-dimensional (2D) electrode materials for supercapacitors, Materials Today: Proceedings. 41(3), 498 (2020); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.233.

Y. Dong, C. Yan, H. Zhao, Y. Lei, Recent Advances in 2D heterostructures as advanced electrode materials for potassium-ion batteries, Small Struct. 3, 2100221 (2022); https://doi.org/10.1002/sstr.202100221.

K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov, Electric field effect in atomically thin carbon films, Science, 306(5696), 666 (2004); https://doi.org/10.1126/science.11028967.

A.D. Ghuge, A.R. Shirode, V.J. Kadam, Graphene: A Comprehensive Review. Current drug targets, Current Drug Targets, 18(6), 724 (2017); https://doi.org/10.2174/1389450117666160709023425.

S.K. Tiwari, S. Sahoo, N. Wang, A. Huczko, Graphene research and their outputs: status and prospect, Journal of Science: Advanced Materials and Devices, 5(1), 10 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2020.01.006.

B. Fang, D. Chang, Z. Xu, C. Gao, A Review on Graphene fibers: expectations, advances, and prospects. Advanced Materials, 32(5), e1902664, (2020); https://doi.org/10.1002/adma.201902664.

A.G. Olabi, M.A. Abdelkareem, T. Wilberforce, E. T. Sayed, Application of graphene in energy storage device – A review, Renewable and sustainable energy reviews, 135, 110026 (2021); https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110026.

M. Sharma, M. Talukdar, P. Deb, High connectivity hierarchical porous network of polyurethane engineered by nanoflakes for proficient oil recovery, Applied Surface Science, 601, 154210, (2022); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154210.

M. Talukdar, S. K. Behera, S. Jana, P. Samal, P. Deb, Band alignment at heterointerface with rapid charge transfer supporting excellent photocatalytic degradation of methylene blue under sunlight, Adv. Mater. Interfaces 6, 2101943 (2022); https://doi.org/10.1002/admi.202101943.

S. Mohanty, P. Deb, Nontrivial band topology coupled thermoelectrics in VSe2/MoSe2 van der Waals magnetic Weyl semimetal, J. Phys.: Condens. Matter 34 (33), 335801 (2022); https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac7628.

M.Bora, S. Behera, P.Samal, P. Deb, Magnetic proximity induced valley-contrasting quantum anomalous Hall effect in a graphene - CrBr3 van der Waals heterostructure, Physical Review B. 105, 235422 (2022); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.235422.

S. Ghosh, S.K. Behera, A. Mishra, C.S. Casari, K.K. Ostrikov, Quantum capacitance of two-dimensional-material-based supercapacitor electrodes, Energy&Fuels. 37(23), 17836 (2023); https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c02714.

W.B. Gauster, I.J. Fritz, Pressure and temperature dependences of the elastic constants of compression‐annealed pyrolytic graphite, Journal of Applied Physics, 45(8), 3309 (1974); https://doi.org/10.1063/1.1663777.

A. Nadir, Elastic properties of layered crystals, Physics of the Solid State, 48(4), 663 (2006); https://doi.org/10.1134/S1063783406040081.

S.A. Safran, Stage Ordering in intercalation compounds. In: Solid State Physics (ed.by H.Ehreneich, D.Turnbull) 40, (Academic Press, 1987).

Y. Jung, Y. Zhoub, J.J. Cha, ChemInform Abstract: Intercalation in two-dimensional transition metal chalcogenides, ChemInform, 47(26), 452 (2016); https://doi.org/10.1039/C5QI00242G.

W.A. Little, Possibility of synthesizing an organic superconductor, Phys. Rev. 134 (6A), A1416, (1964); https://doi.org/10.1103/PhysRev.134.A1416.

F.R. Gamble, J.H. Osiecki, M. Cais, R. Pisharody, F.J. Disalvo, T.H. Geballe, Intercalation complexes of Lewis bases and layered sulfides: a large class of new superconductors, Science, 174 (4008), 493 (1971); https://doi.org/10.1126/science.174.4008.493.

O.V. Balaban, B.Ya. Venhryn, I.I. Grygorchak, S.I. Mudry, Yu.O. Kulyk, B.I. Rachiy, R.P. Lisovskiy, Size effects at ultrasonic treatment of nanoporous Carbonand improved characteristics of supercapacitors on its base, Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies, 12(2), 225 (2014).

A.Segura, Layered Indium Selenide under high pressure: A Review, Crystals, 8(5), 206 (2018); https://doi.org/10.3390/cryst8050206.

V. Ptashnyk, I. Bordun, M. Malovanyy, P. Chabecki, T. Pieshkov, The change of structural parameters of nanoporous activated carbons under the influence of ultrasonic radiation. Applied Nanoscience, 10, 4891 (2020); https://doi.org/10.1007/s13204-020-01393-z.

B. A. Lukiyanets, D.V. Matulka, Layered Crystals as Porous Materials: The effect of ultrasonic treatment, Journal of Nano- and Electronic Physics, 13(1) (2021); https://doi.org/10.21272/jnep.13(1).01019.

S. Lowell, J.E. Shields, M.A. Thomas, M. Thommes, Characterization of porous solids and powders. Surface Area. Pore Size and Density (The Netherlands: Kluwer, 2004).

D. K. Schroder, Semiconductor material and device characterization (3rd ed.). (John Wiley and Sons. 2006).

S. Luryi, Quantum capacitance devices, Appl. Phys. Lett., 52, 501 (1988); https://doi.org/10.1063/1.99649.

N. Kumar, A calculable quantum capacitance, Current Science, 68, 945 (1995).

J. Lin, Y. Yuan, M. Wang, X. Yang, G. Yang, Theoretical Studies on the Quantum Capacitance of Two-Dimensional Electrode Materials for Supercapacitors, Nanomaterials, 13(13), 1932 (2023); https://doi.org/10.3390/nano13131932.

B. Lukiyanets, D. Matulka, Quantum capacity of quasi-2D crystals, Int. J. Modern Phys. B, 38 No. 2450290 (2024); https://doi.org/10.1142/S0217979224502904.

A. Jeffrey, H.H. Dai, Handbook of mathematical formulas and integrals, fourth ed., (Elsevier, London 2008).

D.E. Jiang, Z. Jin, J. Wu, Oscillation of capacitance inside nanopores, Nano Letters, 11, 5373 (2011); https://doi.org/10.1021/nl202952d.

P.Wu, J.Huang, V. Meunier, B. G. Sumpter, R. Qiao, Complex capacitance scaling in ionic liquids-filled nanopores, ACS Nano, 5 (11), 9044 (2011); https://doi.org/10.1021/nn203260w.

G. Feng, P. Cummings, Supercapacitor capacitance exhibits oscillatory behavior as a function of nanopore size, Journal of Physical Chemistry Letters, 2(22), 2859 (2011); https://doi.org/10.1021/jz201312e.

S. Kondrat, C.R. Perez, V. Presser, Y. Gogotsi, A. A. Kornysheva, Effect of pore size and its dispersity on the energy storage in nanoporous supercapacitors, Energy Environ. Sci., 4, 6474 (2012); https://doi.org/10.1039/C2EE03092F.