توصيفگر ها :
دستگاه ذخيزه انرژي , ابرخازن نوري , آندايز , آبكاري الكتروشيميايي , نانولوله تيتانيوم دي اكسايد , ابرخازن نامتقارن
چكيده فارسي :
چكيده
اين مطالعه به بررسي جامع توسعه و بهينه‌سازي ابرخازن‌هاي قابل شارژ نوري پرداخته و تحقيقات تجربي و تحليل‌هاي نظري را تركيب مي‌كند. پژوهش به چالش ايجاد فتوآندهاي كارآمد انرژي با فعاليت‌هاي نوري و الكتروشيميايي براي تبديل و ذخيره‌سازي همزمان انرژي خورشيدي مي‌پردازد. به‌طور تجربي، اين مطالعه بر روي مواد فتوآند نوآورانه از جمله سولفيد كبالت-منگنز، سولفيد منگنز-نيكل، و سولفيد نيكل-كبالت كه بر روي نانولوله‌هاي TiO2 (TNTs) قرار داده شده‌اند، و همچنين كامپوزيت جديد سولفيد كبالت-نيكل-منگنز (MNCST) بر روي TNTs تمركز دارد. تكنيك‌هاي پيشرفته‌اي نظير XRD، FE-SEM، TEM، HRTEM-EDX، Uv-Vis، ESI و XPS براي تحليل ويژگي‌هاي مورفولوژيكي، ساختاري، نوري و الكتروشيميايي مواد تهيه شده به كار گرفته شده است. نتايج تجربي چندين يافته كليدي را آشكار ساخت. فتو-ASC مبتني بر سولفيد كبالت-منگنز افزايش ظرفيت حدود 70٪ تحت تابش نور در 2/42 ميلي فاراد بر سانتيمتر مربع و ذخيره پايدار شارژ در طي چرخه‌هاي بلندمدت (~4% كاهش ظرفيت پس از 5000 چرخه) را نشان داد. نانوساختارهاي سولفيد منگنز-نيكل بر روي TNTs حساسيت نوري برتري را نشان دادند كه با افزايش قابل‌توجه ظرفيت ويژه ناحيه‌اي در هنگام تابش نور همراه بود. يك ابرخازن نوري نامتقارن حالت جامد (ASSPS) با استفاده ازMnNiS-3/TN به عنوان فوتوآند افزايش ظرفيت بالايي تحت تابش، نگهداري برجسته ظرفيت و چگالي انرژي عالي تحت تابش نور نشان داد. الكترود NCS@TNT-1 بالاترين ظرفيت تا 6/471 ميلي فاراد بر سانتيمتر مربع را با افزايش دو برابري ظرفيت ويژه در تابش نور، حدود 11 برابر بيشتر از TNTs خالص نشان داد. TNTs پوشيده‌شده با Mn-Ni-Co-S فعاليت نوري و كارايي جدايش بار برتري را نشان دادند كه در آنMNCST4 بالاترين چگالي جريان و فوتوولتاز را به دليل اثر هم‌افزايي سولفيدهاي سه‌گانه و TNTs داشت. اندازه‌گيري‌هاي ولتامتري چرخه‌اي در شرايط تاريك و روشن عملكرد الكتروشيميايي بهبود يافته MNCST4 را تأييد كرده و پتانسيل آن براي كاربردهاي فتو-الكتروشيميايي را نشان داد. تحليل نظري نتايج تجربي را با نشان دادن پايداري بيشتر يون‌هاي Mn²⁺ روي نانولوله‌هاي دي‌اكسيد تيتانيوم در مقايسه با يون‌هاي Mn³⁺ و Mn⁴⁺ تأييد كرد. تركيب يون‌هاي Mn²⁺ و S²⁻ منجر به تغييرات قابل‌توجهي در چگالي حالات (DOS) نانولوله‌ها شد كه با استفاده از سه يون S²⁻ و يك يون Mn²⁺، ظرفيت بهينه‌اي به دست آمد كه نشانگر افزايش 64 درصدي نسبت به نانولوله‌هاي خالص بود. اين مطالعه روش‌هاي تجربي و نظري را براي درك بهتر ابرخازن‌هاي قابل شارژ نوري تركيب كرده و به پيشرفت فناوري‌هاي تبديل و ذخيره‌سازي انرژي خورشيدي كمك مي‌كند.
چكيده انگليسي :
Abstract:
This study presents a comprehensive study on the development and optimization of optically-chargeable supercapacitors, combining experimental investigations and theoretical analysis. The research addresses the challenge of creating energy-efficient photoelectrodes with both optical and electrochemical activities for simultaneous solar energy conversion and storage.Experimentally, the study focuses on innovative photoelectrode materials, including cobalt manganese sulfide, manganese-nickel sulfide, and nickel cobalt sulfide deposited on TiO2 nanotubes (TNTs), as well as a novel cobalt-nickel-manganese sulfide (MNCST) composite on TNTs. Advanced characterization techniques such as XRD, FE-SEM, TEM, HRTEM-EDX, Uv-Vis, ESI and XPS were employed to analyze the morphological, structural, optical, and electrochemical properties of the prepared materials.The experimental results revealed several key findings. The cobalt manganese sulfide-based photo-ASC demonstrated a capacity enhancement of ~70% under light irradiation at 42.2 mF/cm2 and stable charge storage over long-term cycling (~4% capacity decrease after 5000 cycles). Mn-Ni sulfide nanostructures on TNs exhibited superior photosensitivity, with significant increases in area-specific capacitance upon illumination. An asymmetric solid-state photo-supercapacitor (ASSPS) using MnNiS-3/TN as the photoelectrode showed high capacitance gain under irradiation, outstanding capacitance maintenance, and excellent energy density under light irradiation. The NCS@TNT-1 electrode displayed the highest capacity of up to 471.6 mF/cm2, about 11 times higher than bare TNTs, with a twofold increase in specific capacitance upon light illumination. Mn-Ni-Co-S-coated TNTs exhibited superior photoactivity and charge separation efficiency, with MNCST4 showing the highest photocurrent density and photovoltage due to the synergistic effect of the ternary sulfides and TNTs. Cyclic voltammetry measurements under dark and illuminated conditions confirmed enhanced electrochemical performance for MNCST4, demonstrating its potential for photoelectrochemical applications.Theoretical analysis supported experimental results by revealing that Mn²⁺ ions on titanium dioxide nanotubes provided greater stability than Mn³⁺ and Mn⁴⁺. Combining Mn²⁺ and S²⁻ ions altered the nanotubes' Density of States (DOS), with optimal capacitance achieved using three S²⁻ and one Mn²⁺ ion, showing a 64% increase over undecorated nanotubes. This study integrates experimental and theoretical methods to enhance understanding of optically-chargeable supercapacitors, advancing solar energy conversion and storage technologies.
