Hierarki Jaringan Nano Grafit Makro Berpori Menunjukkan Kinerja Penyimpanan Pengisian Daya Ultra-cepat dan Stabil

Hasil dan Diskusi

Karakteristik morfologi HM-CNWs dan HM-GNWs diperiksa oleh FE-SEM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a, b, masing-masing. Kedua sampel memiliki struktur nanoweb berpori makro yang terdiri dari serat nano terjerat dengan rasio aspek tinggi (> 100). Banyaknya nanofiber dari kedua sampel berdiameter sekitar 20 nm dan memiliki struktur mikro yang berbeda (Gbr. 1c, d). Meskipun HM-CNW terdiri dari struktur karbon amorf tanpa orde grafik jarak jauh, HM-GNW memiliki struktur grafit yang sangat berkembang (Gbr. 1c, d). Karakteristik mikrostruktur kedua sampel diperiksa lebih lanjut dengan spektroskopi Raman dan XRD, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Spektrum Raman dari HM-GNW menunjukkan D yang berbeda dan G pita pada 1352 dan 1582 cm ⁻¹ , masing-masing, yang sesuai dengan A . yang tidak teratur _1g mode pernapasan cincin aromatik enam anggota yang dekat dengan tepi basal, dan struktur karbon heksagonal yang terkait dengan E_2g mode getar sp ² -hibridisasi atom C, masing-masing (Gbr. 2a) [7]. D . yang tajam dan terbelah dan G pita menunjukkan bahwa HM-GNW memiliki struktur karbon heksagonal yang tertata dengan baik. Selain itu, kehadiran 2D . yang sempit pita pada 2701 cm ⁻¹ menunjukkan bahwa HM-GNW memiliki urutan tiga dimensi bidang karbon heksagonal. Dalam kasus HM-CNW, D dan G pita lebar dan menyatu satu sama lain, menunjukkan bahwa mereka memiliki struktur karbon yang rusak. Spektrum Raman dari HM-CNW tidak menunjukkan 2D pita, yang dikaitkan dengan pemesanan karbon yang buruk. Dalam pola XRD, grafit tajam (002) memuncak pada 25,7° 2θ diamati untuk HM-GNW, sementara puncak yang sangat luas pada 24.0° 2θ diamati untuk HM-CNW (Gbr. 2b). Hasil ini bertepatan dengan spektrum Raman yang menunjukkan bahwa HM-GNWs dan HM-CNWs masing-masing memiliki struktur grafit dan mikrostruktur karbon amorf yang tertata dengan baik.

Gambar FE-SEM dari a HM-CNW dan b Gambar HM-GNW dan FE-TEM dari c HM-CNW dan d HM-GNW. Bilah skala pada gambar FE-SEM dan FE-TEM masing-masing berukuran 2 μm dan 10 nm

a Spektrum Raman, b Pola XRD, c Spektrum XPS C 1s, dan d kurva isoterm adsorpsi dan desorpsi nitrogen (sisipan data distribusi ukuran pori) HM-CNWs dan HM-GNWs

Sifat permukaan HM-CNW dan HM-GNW dicirikan oleh XPS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c. Dalam spektrum C 1s dari HM-CNW, sp ² main utama ikatan karbon diamati pada 284,4 eV, dan dua puncak, seperti sp ³ Ikatan C–C dan C(O)O, masing-masing diamati pada 285,7 dan 289,9 eV (Gbr. 3a) [10]. Konfigurasi ikatan serupa diamati dalam spektrum C1s dari HM-GNWs. Spektrum C 1s dari HM-GNWs menunjukkan sp ² karbon, sp ³ karbon, dan ikatan C(O)O pada masing-masing 284,4, 285,4, dan 290,4 eV (Gbr. 3c). Rasio C/O dari HM-CNW dan HM-GNW masing-masing dihitung menjadi 23,4 dan 110,1, menunjukkan bahwa kedua sampel memiliki kandungan oksigen yang tidak signifikan.

Performa elektrokimia HM-CNW dan HM-GNW dalam EMIM PF₆ /ACN campuran (1:1 w /dengan ) solusi melalui jendela tegangan 0–3 V; Kurva CV pada kecepatan sapuan yang berbeda dari 5 hingga 100 V s ⁻¹ ditandai setiap 5 V s ⁻¹ dari a HM-GNW dan b HM-CNW. Plot Nyquist c HM-GNW dan d HM-CNWs (sisipan gambar yang diperbesar untuk wilayah frekuensi tinggi). e Nilai kemampuan sampel dan f performa bersepeda HM-GNW (sisipan kurva CV setelah bersepeda jangka panjang)

Struktur pori kedua sampel diselidiki menggunakan kurva isoterm adsorpsi dan desorpsi nitrogen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d. Dalam kurva isoterm dari kedua sampel, sejumlah kecil adsorpsi monolayer molekul nitrogen diamati di daerah tekanan relatif < 0,05, menunjukkan adanya mikropori [10]. Peningkatan dramatis dalam tingkat kuantitas adsorpsi nitrogen diamati pada bagian tekanan relatif> -0,9, dan tidak ada histeresis antara kurva isoterm adsorpsi dan desorpsi. Hasil ini menunjukkan bahwa kedua sampel memiliki struktur berpori makro, termasuk sejumlah kecil pori mikro, sesuai dengan bentuk hibrida IUPAC tipe-I dan tipe-II. Secara khusus, kedua sampel memiliki berbagai ukuran pori makro yang berkisar dari puluhan nanometer hingga beberapa mikrometer. Sisipan Gambar 2d mengonfirmasi distribusi ukuran pori makro dari kedua sampel. Luas permukaan spesifik HM-CNW dan HM-GNW adalah 158,5 dan 138,7 m ² g ⁻¹ , masing-masing, dan volume porinya adalah 0,346 dan 0,310 cm ³ g ⁻¹ , masing-masing.

Kinerja elektrokimia HM-CNWs dan HM-GNWs dicirikan dalam EMIM PF₆ dan elektrolit campuran ACN (rasio berat 1:1) pada rentang potensial 0–3 V (Gbr. 3). CV dilakukan dengan kecepatan sapuan tinggi dari 5 hingga 100 V s ⁻¹ . Pada kecepatan sapuan 5 V s ⁻¹ , kurva CV berbentuk persegi panjang diamati untuk HM-GNW, menunjukkan perilaku penyimpanan muatan yang ideal dengan pembentukan lapisan ganda elektrokimia (Gbr. 3a). Dengan peningkatan kecepatan sapuan, bentuk CV dipertahankan dengan baik, bahkan setelah 100 V s ⁻¹ , yang merupakan tingkat pengisian/pengosongan 0,04 dtk (Gbr. 3a). Sebaliknya, kurva CV HM-CNW lebih penyok dengan meningkatnya laju sapuan, dan area kurva CV secara keseluruhan lebih kecil daripada HM-GNW, menunjukkan kemampuan laju HM-CNW yang relatif buruk (Gbr. 3b ). EIS dari kedua sampel yang dicirikan pada rentang frekuensi, 100 kHz hingga 0,1 Hz, mendukung hasil CV. Plot Nyquist dari HM-GNW dan HM-CNW menunjukkan garis vertikal di wilayah frekuensi rendah, yang menunjukkan perilaku penyimpanan muatan kapasitif yang ideal (Gbr. 3c, d). Di bagian frekuensi tinggi, transisi antara setengah lingkaran RC dan migrasi elektrolit diamati pada frekuensi ~ 420 dan ~ 425 Hz untuk HM-GNW dan HM-CNW, masing-masing, yang sesuai dengan resistansi ~ 2.0 dan ~ 3.3 Ω, masing-masing (Gbr. 3c, d). Resistensi HM-GNWs lebih kecil dari HM-CNWs dan jauh lebih kecil dari hasil sebelumnya [9]. Difusi elektrolit berhenti pada ~ 4.3 dan ~ 4.8 Hz untuk HM-GNW dan HM-CNW, masing-masing; resistansi seri elektrokimia (ESR) dihitung masing-masing menjadi 2,3 dan 3,7 Ω untuk HM-GNW dan HM-CNW. Oleh karena itu, kedua sampel memiliki resistansi internal yang rendah dengan nilai HM-GNWs yang lebih kecil. Kapasitansi area spesifik HM-GNW adalah ~ 8,9 mF cm ⁻² pada kecepatan sapuan 5 V s ⁻¹ , yang menurun hampir secara linier dengan meningkatnya laju sapuan dan mencapai 3,8 mF cm ⁻² pada 100 V s ⁻¹ (Gbr. 3e). Dalam kasus HM-CNW, kapasitansi areanya pada 5 V s ⁻¹ adalah 6,7 mF cm ⁻² , yang menurun lebih dramatis dengan meningkatnya tingkat sapuan. Sekitar 50% kapasitansi area awal dipertahankan pada 25 V s ⁻¹ untuk HM-CNW, dan kapasitansi areanya berkurang ~ 1.1 mF g ⁻¹ pada 100 V s ⁻¹ . Hasil ini jelas menunjukkan bahwa HM-GNW memiliki kemampuan laju yang lebih baik daripada HM-CNW. Mempertimbangkan struktur berpori dan morfologi yang serupa dari kedua sampel, kesenjangan kinerja laju kedua sampel dapat disebabkan oleh perbedaan konduktivitas listrik. HM-GNW memiliki dua orde besarnya konduktivitas listrik yang lebih tinggi (~ 130 s cm ⁻¹ ) daripada HM-CNW (~ 3.7 s cm ⁻¹ ). Stabilitas bersepeda HM-GNW diuji oleh CV pada 20 V s ⁻¹ selama lebih dari 1.000.000 siklus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3f. Kapasitansi awal dipertahankan dengan baik selama siklus keseluruhan, dan sekitar 3% dari kapasitansi awal menurun setelah 1.000.000 siklus. Perilaku bersepeda ultra-stabil ini mengkonfirmasi bahwa mekanisme adsorpsi/desorpsi muatan permukaan pada HM-GNW sangat reversibel dan semi-permanen setelah siklus berulang. Performa kecepatan dan siklus tinggi HM-GNW diinduksi oleh fitur morfologis dan mikrostrukturnya yang unik berdasarkan serat nano grafit terjerat tiga dimensi (diameter ~  20 nm) yang jauh lebih kecil dan tertata dengan baik daripada serat nano karbon yang dibuat dari elektrospinning atau metode templat [18,19,20,21]. Oleh karena itu, kinerja penyimpanan muatan yang diinduksi permukaan dapat ditingkatkan di HM-GNW, yang menunjukkan kemampuan kecepatan tinggi yang luar biasa dan stabilitas siklus dengan kecepatan sapuan 100 V s ⁻¹ dan 1.000.000 siklus, masing-masing. Laju dan performa siklus HM-GNW melampaui mereka dari bahan elektroda berbasis karbon serupa lainnya untuk superkapasitor [18,19,20,21,22,23,24,25].