Superkapasitor Asimetris Kuasi-Padat-Kondisi Sangat Efisien Berdasarkan Elektroda Komposit MoS2/MWCNT dan PANI/MWCNT
Abstrak
Molibdenum disulfida (MoS2 ) dan elektroda polianilin (PANI) didekorasi dengan tabung nano karbon berdinding banyak (MWCNTs) berdasarkan metode hidrotermal wajah dan polimerisasi in situ dan disajikan dalam superkapasitor asimetris (ASC). MoS2 dan MWCNT dengan rasio mol 1:1 dalam MoS2 | Elektroda MWCNT menunjukkan sifat elektrokimia yang lebih baik melalui studi elektrokimia yang ekstensif, dalam hal kapasitansi spesifik tertinggi 255,8 F/g pada 1 A/g, resistansi internal rendah, dan stabilitas elektrokimia yang menonjol dengan retensi kapasitansi spesifik awal pada 91,6% setelah 1000 siklus. Elektroda PANI|MWCNTs yang telah disiapkan juga menunjukkan kapasitansi spesifik yang baik sebesar 267,5 F/g pada 1 A/g dan tetap 97,9% retensi kapasitansi setelah 1000 siklus. Kemudian, ASC dengan MoS2 Elektroda komposit |MWCNTs dan PANI|MWCNTs dirakit dengan polivinil alkohol (PVA)-Na2 JADI4 elektrolit gel, yang menunjukkan kinerja elektrokimia yang baik dengan kapasitansi spesifik 138,1 F/g pada 1 A/g, dan tetap densitas energi 15,09 Wh/kg pada kerapatan daya tinggi 2217,95 W/kg. Hasil ini menunjukkan bahwa perangkat ASC ini memiliki sifat elektrokimia yang sangat baik dengan kepadatan energi dan keluaran daya yang tinggi, sehingga menunjukkan prospek aplikasi yang potensial.
Latar Belakang
Dengan krisis energi dan pencemaran lingkungan yang meningkat secara serius, peralatan penyimpanan energi yang efisien dan stabil telah menarik penelitian ekstensif karena sumber energi yang terputus-putus (seperti energi matahari, tenaga angin, dan daya gesekan) tidak dapat secara terus menerus dan stabil mengeluarkan energi listrik untuk aplikasi sehari-hari. [1, 2]. Superkapasitor (SC) dengan pengisian/pengosongan yang cepat dan masa pakai yang lama dianggap sebagai pilihan ideal untuk perangkat penyimpanan energi, yang kinerja keseluruhannya terutama ditentukan oleh komponen terpenting, yaitu bahan elektroda [3]. Biasanya, sejumlah besar bahan elektroda, seperti graphene, karbon nanotube (CNT), polimer konduktor, dan logam oksida, telah menjadi fokus penelitian [4,5,6,7]. Secara khusus, bahan pseudokapasitif dengan kapasitansi yang sangat tinggi telah menarik banyak perhatian [8].
Di antara laporan-laporan ini, bahan karbon diidentifikasi sebagai salah satu yang paling populer karena konduktivitasnya yang sangat baik, luas permukaan yang besar, perlindungan yang ramah lingkungan, dan biaya rendah. Namun, bahan karbon menyimpan muatan dengan mekanisme kapasitor dua lapis listrik memiliki konduktivitas listrik yang tinggi tetapi kapasitansi yang rendah. Dengan demikian, untuk meningkatkan kinerja elektrokimia bahan berbasis karbon, para peneliti telah mencurahkan upaya besar untuk menumbuhkan bahan aktif berstruktur nano pada bahan tersebut [9,10,11,12,13,14,15]. Molibdenum disulfida (MoS2 ), sebagai anggota keluarga khas dichalcogenides logam transisi (TMDs), telah menarik banyak perhatian karena karakter struktural dan kimianya yang khusus, yang diterapkan secara luas di berbagai bidang termasuk baterai lithium-ion, katalisis, dan sel surya peka-pewarna. . MoS2 dengan skala nano baru-baru ini telah dipilih untuk digunakan dalam kapasitor karena konduktivitas ionik cepat intrinsiknya yang lebih tinggi daripada oksida dan kapasitas teoretis yang lebih tinggi daripada grafit selain luas permukaan yang tinggi. Wang dkk. [16] menyiapkan MoS2 dengan struktur nanospheres berongga hierarkis sebagai bahan elektroda negatif yang memberikan kapasitansi spesifik maksimum 142 F/g pada 0,59 A/g. Yang dkk. [17] merancang MoS2 /graphene nanosheet komposit dan memperoleh kapasitansi spesifik 320 F/g pada 2 A/g. Hu dkk. [18] menyiapkan C|MoS berpori2 elektroda yang memperoleh kapasitas spesifik 210 F/g pada 1 A/g dan stabilitas yang baik dengan lebih dari 1000 siklus pada 4 A/g. Namun, kapasitansi spesifik MoS yang buruk2 dikaitkan dengan penumpukan dan keruntuhan dalam proses pelepasan muatan dari struktur berlapis dua dimensinya, yang membatasi aplikasi di SC. Oleh karena itu, bagaimana membangun arsitektur hierarkis tiga dimensi (3D) adalah cara yang efektif untuk menyelesaikan masalah agregasi dan menyiapkan superkapasitor berkinerja tinggi berdasarkan MoS2 elektroda komposit.
Selain itu, dengan konduktivitas yang baik, kemudahan sintesis, monomer berbiaya rendah, sifat merdu, dan kapasitansi spesifik yang luar biasa (500-2200 F/g), polianilin (PANI) telah dipelajari secara ekstensif sebagai bahan elektroda pseudo-superkapasitor [19]. ,20,21]. Baru-baru ini, banyak peneliti telah menggabungkan PANI dengan bahan karbon dan senyawa logam transisi untuk meningkatkan konduktivitas elektroda berbasis PANI untuk meningkatkan stabilitas siklus dan kemampuan laju dari kapasitor super semu berbasis PANI [22,23,24,25] ,26,27]. Misalnya, Li dan pekerjanya [28] menyiapkan serat CNT|PANI 3D dan memperoleh kapasitansi spesifik setinggi 242,9 F/cm dalam 1 M H2 JADI4 elektrolit. Das dkk. [29] melaporkan superkapasitor asimetris (ASC) dirakit dengan biru Prusia/MnO2 -elektroda positif dan komposit nanoplatelet PANI/graphene sebagai elektroda negatif di KNO3 elektrolit dan menunjukkan kapasitansi spesifik yang menguntungkan sebesar 98 F/g pada 1 A/g. Ghosh dkk. [30] telah membuat ASC fleksibel semua-padat-keadaan energi tinggi dengan menggunakan MnO koaksial 3D berongga berbentuk landak baru yang mudah2 Komposit @PANI sebagai elektroda positif dan busa graphene 3D sebagai bahan elektroda negatif dengan elektrolit gel polivinil alkohol (PVA)/KOH. PANI konduktif tidak hanya berfungsi sebagai jembatan antara MnO2 dan graphene untuk meningkatkan konduktivitas listrik, tetapi juga meningkatkan kapasitansi spesifik elektroda. Selain itu, penelitian terbaru juga menunjukkan bahwa elektrolit gel telah mengungkapkan prospek aplikasi paling potensial untuk superkapasitor [31, 32].
Mengingat hal ini, kami menyiapkan MoS2 dijembatani oleh nanotube karbon berdinding banyak (MWCNTs) melalui metode hidrotermal yang lancar dan menyiapkan PANI yang didekorasi dengan komposit MWCNTs dengan menggunakan proses polimerisasi kimia in situ. Setelah pengujian elektrokimia yang ekstensif, kapasitas spesifik MoS2 Elektroda |MWCNTs dan PANI|MWCNTs diperoleh masing-masing 255,8 F/g dan 267,5 F/g pada 1 A/g. Tingkat retensi MoS2 | Elektroda MWCNT dipertahankan 91,6% setelah 1000 siklus pada kecepatan pemindaian 30 mV/s. Selain itu, elektroda PANI|MWCNTs juga menunjukkan retensi 97,9% pada kecepatan pemindaian 60 mV/s setelah 1000 siklus. ASC quasi-solid-state berdasarkan MoS2 |MWCNTs dan PANI|MWCNTs elektroda dengan PVA-natrium sulfat (Na2 JADI4 ) elektrolit gel menunjukkan rapat energi 38,9 Wh/kg pada rapat daya 382,61 W/kg. Dua ASC super quasi-solid-state secara seri dapat dengan mudah menyalakan dioda pemancar cahaya merah, yang menunjukkan prospek aplikasi potensial.
Metode
Sintesis MoS2 |MWCNTs
Persiapan MoS2 dilakukan dengan menggunakan metode hidrotermal sederhana [33]. Pertama, 0,726 g natrium molibdat dan 0,684 g tiourea dicampur bersama dalam 35 ml air deionisasi dengan diaduk dan disonikasi selama 30 min berturut-turut. Kemudian, sejumlah MWCNT dengan kandungan berbeda ditambahkan ke dalam campuran di atas dan disonikasi selama 30 menit. Selanjutnya, larutan campuran diatur PH menjadi kurang dari 1 dengan asam klorida 12 M. Setelah itu, larutan dipindahkan ke dalam liner Teflon 50 ml dan dipanaskan pada 200 °C selama 24 jam tanpa kontrol yang disengaja terhadap laju kemiringan atau pendinginan. Setelah suhu mendingin hingga suhu kamar, presipitasi dikumpulkan dengan filter dan dicuci dengan etanol dan air suling sebanyak lima kali, kemudian dikeringkan dalam oven vakum pada suhu 60 °C selama 24 jam. Selanjutnya, rasio mol MoS2 dan MWCNT dengan 2:1, 1:1, dan 1:2 juga diteliti dan diberi label masing-masing sebagai MS2MWCNT1, MS1MWCNT1, dan MS1MWCNT2. Sebagai perbandingan, MoS murni2 dan MWCNT diberi label sebagai MS1MWCNT0 dan MS0MWCNT1, masing-masing.
Sintesis PANI|MWCNTs
Persiapan PANI|MWCNTs didasarkan pada laporan sebelumnya [34, 35]. Pertama, 18 mg MWCNT didispersikan dalam 10 ml air deionisasi dan disonikasi selama 0,5 h dan diberi label sebagai larutan A. Kemudian, 0,3 ml monomer anilin dilarutkan dalam 10 ml asam klorida 1 M dan diberi label sebagai larutan B. Selanjutnya, 0,21 g kalium persulfat dilarutkan dalam 10 ml asam klorida 1 M dan diberi label sebagai larutan C. Setelah itu, larutan B ditambahkan ke larutan A dengan pengadukan magnet diikuti dengan penambahan berurutan larutan C setetes demi setetes, sampai larutan campuran menjadi gelap hijau. Pada suhu kamar, reaksi ini berlanjut selama lebih dari 5 jam. Setelah itu, produk dikumpulkan dengan sentrifugasi dan dicuci berulang kali dengan air deionisasi dan etanol absolut. Sampel yang telah disiapkan diberi label sebagai PANI|MWCNTs.
Persiapan ASC Quasi-Solid-State
ASC quasi-solid-state dirakit sebagai struktur sandwich dengan memotong MoS2 |Katoda MWCNT dan sebuah PANI|anoda MWCNT dengan PVA-Na2 JADI4 elektrolit kuasi-padat, dan ASC diberi label sebagai MoS2 |MWCNTs//PANI|MWCNTs (MM//PM). Pertama, bubur bahan elektroda sebagai rasio massa bahan aktif (MoS2 |MWCNTs dan PANI|MWCNTs composites), nano graphite powder, dan PVDF adalah 75:15:10 dalam pelarut NMP, yang dimuat pada foam nikel untuk dipress dengan metode doctor blade. Sebelum pengujian, bahan elektroda dikeringkan dalam oven vakum pada suhu 60 °C selama 12 jam, kemudian direndam dalam 0,5 M Na2 JADI4 elektrolit selama 12 jam. Untuk menyiapkan PVA-Na2 JADI4 gel, 2 g PVA dilarutkan dalam air deionisasi pada 90 °C dan kemudian 0,5 M Na2 JADI4 ditambahkan dengan pengadukan kuat untuk mendapatkan larutan yang jernih. Gel dibiarkan dingin hingga suhu kamar setelah itu digunakan untuk membuat ASC.
Karakterisasi dan Pengukuran Elektrokimia
Morfologi permukaan sampel diamati dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (SEM) JSM-7001F. Struktur kristal dari komposit diselidiki dengan melihat insiden difraktometer sinar-X (X'Pert Pro, PANalytical B.V., Belanda). Hamburan Raman dikumpulkan pada mikroskop confocal Renishaw RW1000 dengan laser besi Ar + garis 514 nm sebagai cahaya yang menggairahkan.
Pengukuran voltametri siklik (CV) dilakukan dalam sel satu kompartemen tiga elektroda, di mana elektroda sampel yang telah disiapkan diambil sebagai elektroda kerja, lembaran Pt 1,5 cm
2
sebagai CE, dan elektroda Ag/AgCl sebagai elektroda referensi dalam larutan KOH berair 6 M. Uji spektroskopi impendensi elektrokimia (EIS) dilakukan dengan mensimulasikan kondisi sirkuit terbuka di atmosfer sekitar dengan menggunakan sistem pengukuran elektrokimia (CHI660E, Shanghai Chenhua Device Company, China) pada suhu konstan 20 °C dengan amplitudo sinyal AC 20 mV dalam rentang frekuensi dari 0,1 hingga 10
5
Hz pada bias 0 V DC dalam gelap. Kurva galvanostatic charge-discharge (GCD) dilakukan menggunakan penganalisis elektrokimia yang dikendalikan komputer (CHI 660E, Instrumen CH). Kapasitansi spesifik (Cs ) dari superkapasitor dihitung menurut persamaan berikut [36,37,38,39]:
dimana Aku mewakili rapat arus (A), Δt mewakili waktu debit (s), ΔV mewakili jendela potensial kerja (V), mac mewakili kualitas bahan aktif (g).
Hasil dan Diskusi
Bahan Katoda:MoS2 |MWCNTs
Gambar 1 menunjukkan gambar SEM dari MoS2 dan komposit MS1MWCNT1. Dari Gambar 1a dan Gambar 1b terlihat bahwa sintesis MoS2 nanospheres dengan struktur sarang lebah memiliki distribusi yang seragam dan ukuran partikel yang serupa. Dari Gambar 1b, menunjukkan bahwa permukaan MoS2 nanospheres memiliki banyak kerutan, yang disebabkan oleh tumpukan MoS2 nanosheet menghasilkan bola yang diaglomerasi. Struktur seperti itu tidak hanya membantu menyediakan luas permukaan spesifik yang besar, tetapi juga berkontribusi pada difusi dan transfer ion. Gambar 1c dan Gambar 1d menunjukkan gambar komposit MS1MWCNT1, di mana MoS2 nanocluster dijembatani bersama oleh MWCNT dan membentuk komposit MS1MWCNT1. MWCNT memiliki konduktivitas yang baik dan luas permukaan spesifik yang besar, yang dapat mengimbangi konduktivitas yang buruk dari MoS2 dan menyediakan situs yang lebih aktif di tepi MWCNT.
Gambar SEM dari MoS2 nanospheres (a , b ) dan gabungan dari MS1MWCNT1 (c , d )
Karakteristik struktural dari MoS yang telah disiapkan2 , MWCNTs, dan MS1MWCNT1 diperlihatkan oleh spektrum Raman dan pola XRD. Dari Gambar 2a, ada dua puncak yang kuat dan tajam pada 375 dan 408 cm
−1
untuk MoS2 . Puncak karakteristik sebelumnya disebut E2g mode karena getaran dalam pesawat dari dua S atom relatif terhadap atom Mo dalam arah yang berlawanan. Puncak karakteristik terakhir disebut A1g mode untuk non-pesawat S getaran atom dalam arah yang berlawanan [40, 41]. Untuk puncak karakteristik Raman dari MWCNT, D dan G puncaknya sekitar 1350 dan 1580 cm
−1
, masing-masing [42, 43]. Dari rasio puncak ini, kita dapat melihat bahwa MWCNT memiliki kemurnian kristal dan kerapatan cacat yang baik. Untuk komposit MS1MWCNT1, puncak karakteristik MoS2 dan MWCNT semuanya ada dan tidak ada puncak baru yang muncul kecuali sedikit pergeseran merah. Fenomena pergeseran merah kecil untuk komposit MS1MWCNT1 dapat menyebabkan perubahan ukuran partikel dan diameter pori. Secara keseluruhan, hasil ini menunjukkan bahwa MS1MWCNT1 berhasil dibuat tanpa pembentukan senyawa baru.
Spektrum Raman (a ) dan pola XRD (b ) dari MWCNT, MoS2 , dan MS1MWCNT1
Gambar 2b menunjukkan pola XRD dari MoS2 , MWCNT, dan sampel MS1MWCNT1. Puncak difraksi pada 14.46°, 33.28°, dan 58.66° merupakan kontribusi dari MoS2 [44].9 Diantaranya, tidak adanya puncak difraksi kuat MoS2 mengungkapkan bahwa penumpukan lapisan tunggal sangat mungkin terjadi, yang disebut struktur mirip graphene. Puncak difraksi pada 26,09° dan 43,44° sesuai dengan sinyal MWCNTs [45]. Adapun pola XRD dari komposit MS1MWCNT1 menunjukkan semua karakteristik puncak difraksi untuk MWCNT dan MoS2 . Terutama, puncak kuat pada 14,46° MoS2 memanifestasikan struktur berlapis yang ditumpuk dengan baik, yang menunjukkan bahwa kristalinitas MoS2 sangat meningkat setelah rekombinasi. Hasil Raman dan XRD menunjukkan bahwa MoS2 dan komposit MWCNT berhasil disintesis.
Karakteristik elektrokimia dari MoS yang disiapkan2 |Elektroda MWCNT diukur dengan uji CV, GCD, dan EIS pada Gambar 3. Gambar 3a menunjukkan kurva CV untuk MoS2 | Elektroda MWCNT dengan rasio mol MoS yang berbeda2 dan MWCNT pada 20 mV/s. Area CV terintegrasi dari MoS2 | Elektroda MWCNT menunjukkan lebih besar dari MWCNT dan MoS murni2 elektroda, menunjukkan peningkatan kapasitansi untuk efek sinergis dari konduktivitas MWCNT yang sangat baik dan kinerja elektrokimia yang tinggi dari MoS2 . Demikian pula, elektroda MS1MWCNT1 menyajikan area CV terbesar daripada elektroda MS1MWCNT2 dan MS2MWCNT1, menunjukkan perilaku pseudokapasitif yang sangat baik untuk elektroda MS1MWCNT1. Selain itu, kurva CV dari elektroda MS1MWCNT1 dengan tingkat pemindaian yang berbeda mulai dari 5 hingga 50 mV/s diuji seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Seperti yang dapat kita lihat dari kurva, rapat arus dan puncak redoks meningkat secara teratur dengan pembesaran laju pemindaian, menunjukkan kemampuan laju yang sangat baik dan reversibilitas yang baik dari prosedur redoks [46, 47]. Gambar 3c menunjukkan kurva GCD untuk elektroda yang berbeda pada 1 A/g. Menurut Gambar. 3c, MWCNT dan MoS murni2 elektroda mendapatkan kapasitansi spesifik 30,4 dan 90,6 F/g pada 1 A/g, yang lebih kecil dari MoS2 | Elektroda MWCNT. Sangat menarik bahwa kapasitansi spesifik telah meningkat dengan jelas ketika MoS2 didekorasi dengan MWCNT. Hal ini dikaitkan dengan kombinasi yang baik antara MWCNT konduktif dan MoS2 dengan konduktivitas ionik yang tinggi, dan penggunaan MWCNT sebagai kerangka membantu meningkatkan stabilitas mekanik komposit untuk mencegah kerusakan dari faktor listrik selama pengisian dan pemakaian. Ketika kandungan MWCNTs kecil, kapasitansi spesifik MS2MWCNT1 adalah 132,4 F/g. Dengan meningkatnya persentase MWCNT dan rasio mol MoS2 dan MWCNT mencapai 1:1 dalam material komposit, kapasitansi spesifik mencapai 255,8 F/g pada 1 A/g, yang jauh lebih tinggi daripada elektroda MS2MWCNT1. Sedangkan perbandingan mol MoS2 dan MWCNT melebihi 1:1, kapasitansi spesifik dari elektroda MS1MWCNT2 mulai menurun dan mencapai kapasitansi spesifik yang jauh lebih kecil yaitu 173,4 F/g pada 1 A/g, yang dapat disebabkan oleh kapasitas MWCNT yang kecil. Gambar 3d menyajikan kurva GCD untuk elektroda MS1MWCNT1 pada berbagai rapat arus (0,5, 1, 2, 3, 4, dan 5 A/g), yang menunjukkan kapasitansi spesifik menurun dengan meningkatnya rapat arus. Hal ini karena difusi dan transfer ion terbatas pada rapat arus yang lebih tinggi, dan rapat arus yang lebih rendah dapat mengurangi kemungkinan penghancuran bahan elektroda oleh medan listrik yang besar, sehingga penyimpanan muatan yang efektif berkurang dengan meningkatnya rapat arus. . Juga, kurva GDC dari elektroda MS1MWCNT1 mempertahankan penurunan tegangan yang dapat diabaikan selama proses pengisian dan pengosongan, menunjukkan kontribusi pseudocapacitive bersama dengan kontribusi lapisan ganda. Kapasitansi spesifik elektroda MS1MWCNT1 mencapai 266,9 F/g pada 0,5 A/g. Karakteristik penyimpanan energi yang sangat baik bertanggung jawab atas luas permukaan yang besar dan konduktivitas listrik yang tinggi, yang menyediakan situs aktif elektrokimia tambahan dan jalur pendek untuk difusi dan transportasi ion yang cepat. Saat rapat arus meningkat menjadi 5 A/g, kapasitansi spesifik elektroda MS1MWCNT1 tetap 203,5 F/g, menunjukkan kemampuan laju yang baik untuk elektroda. Gambar 3e menunjukkan EIS dari MoS2 , MWCNT, dan elektroda MS1MWCNT1 untuk memahami perilaku impedansi. Gambar EIS yang diperbesar ditampilkan sebagai sisipan. Diameter setengah lingkaran yang tertekan dari plot Nyquist mengkuantifikasi resistansi transfer muatan (Rct) pada antarmuka elektroda|elektrolit [48], yang ditemukan sebesar 4,11, 1,36, dan 0,59 Ω untuk MoS2 , MWCNTs, dan elektroda MS1MWCNT1, masing-masing. Elektroda MS1MWCNT1 menunjukkan nilai Rct terendah dibandingkan dengan MoS2 dan elektroda MWCNT, menunjukkan bahwa peningkatan EIS untuk efek sinergis MWCNT dan MoS2 sangat membantu untuk mengurangi kehilangan energi pada output daya tinggi. Selain itu, resistansi Warburg (Wd) menunjukkan difusi/transportasi ionik dari elektrolit ke permukaan elektroda [48]. Dari Gambar. 3e, elektroda MS1MWCNT1 menunjukkan garis yang lebih vertikal dibandingkan dengan MoS2 dan elektroda MWCNTs pada frekuensi rendah, yang menjelaskan bahwa elektroda MS1MWCNT1 memiliki luas permukaan spesifik yang lebih besar, sehingga memberikan area kontak yang lebih besar untuk bahan elektroda dan elektrolit dan membantu menyerap lebih banyak elektrolit [49]. Gambar 3f menunjukkan stabilitas siklus (garis hitam) dan kapasitansi spesifik pada rapat arus yang berbeda (garis merah) dari elektroda MS1MWCNT1 setelah 1000 siklus (ekstraksi loop setiap 50 putaran). Dari garis hitam, peningkatan kecil kapasitansi diamati selama 350 siklus pertama, dan kapasitansi masih mempertahankan sekitar 91,6% dari kapasitansi awal setelah 1000 siklus, yang menunjukkan siklus hidup material komposit yang baik [50]. Peningkatan awal kapasitansi dapat dikaitkan dengan pembasahan elektrolit secara bertahap jauh di dalam bahan elektroda. Kemudian, situs Mo aktif elektrokimia di dalam elektroda substrat akan sepenuhnya terkena elektrolit. Oleh karena itu, peningkatan kapasitansi ditampilkan dalam tes siklik. Dibandingkan dengan MoS lainnya2 /komposit berbasis karbon (Tabel 1), elektroda MS1MWCNT1 menampilkan kapasitansi spesifik yang lebih tinggi dan stabilitas elektrokimia yang lebih baik. Selanjutnya diperoleh kapasitas spesifik maksimum sebesar 266,9 F/g sesuai dengan rapat arus 0,5 A/g untuk elektroda MS1MWCNT1. Ketika kerapatan arus pelepasan semakin meningkat, kapasitas spesifik menurun perlahan, dan 161,3 F/g diamati pada 5 A/g. Ini bertanggung jawab atas resistansi elektroda dan reaksi redoks Faradaik yang tidak mencukupi dari bahan aktif di bawah kerapatan arus pelepasan yang lebih tinggi.
Kurva CV untuk MoS2 | Elektroda MWCNT dengan rasio mol MoS yang berbeda2 dan MWCNT pada 20 mV/s (a ), kurva CV MS1MWCNT1 pada kecepatan pemindaian yang berbeda (b ), kurva GCD untuk elektroda yang berbeda pada 1 A/g (c ), kurva GCD MS1MWCNT1 dengan rapat arus yang berbeda (d ), kurva EIS untuk berbagai elektroda (e ), stabilitas setelah 1000 siklus CV (garis hitam), dan kapasitansi spesifik pada rapat arus yang berbeda (garis merah) dari elektroda MS1MWCNT1 (f )
Bahan Anoda:PANI|Material Komposit MWCNTs
Gambar 4 menunjukkan gambar SEM PANI|MWCNT. Gambar 4b adalah gambar perbesar dari Gambar 4a. Dari citra SEM terlihat bahwa PANI melapisi permukaan MWCNTs dan membentuk material komposit organik-anorganik yang sempurna. Kerangka MWCNT membantu meningkatkan stabilitas mekanik PANI dan difusi ion dan juga berkontribusi pada peningkatan konduktivitas PANI. Selain itu, kapasitansi semu PANI bermanfaat untuk meningkatkan kapasitansi spesifik material komposit PANI|MWCNTs.
Gambar SEM dari PANI|MWCNTs (a , b )
Gambar 5 menunjukkan beberapa puncak Raman untuk fitur struktural MWCNT, PANI, dan PANI|MWCNT. Di antaranya, puncak Raman pada 1165, 1308–1347, 1468, dan 1593 cm
−1
adalah puncak karakteristik PANI [51]. Dalam material komposit PANI|MWCNTs, puncak karakteristik PANI dan MWCNT (kami telah membahas pada Gambar 2) semuanya diamati meskipun sinyal puncak dari MWCNT tidak jelas, yang bertanggung jawab atas rendahnya kandungan MWCNT dan sinyal yang kuat. dari PANI. Singkatnya, hasil ini menunjukkan bahwa PANI terbungkus dengan baik di permukaan MWCNT.
Spektrum Raman dari MWCNT, PANI, dan PANI|MWCNTs
Gambar 6a menunjukkan kurva GCD elektroda PANI, MWCNT, dan PANI|MWCNT pada 1 A/g. Dari Gambar 6a, terlihat bahwa jendela tegangan elektroda PANI|MWCNTs jauh lebih tinggi daripada elektroda PANI atau MWCNTs murni. Ini mungkin terkait dengan konduktivitas PANI dan MWCNT murni. Hasil ini jelas menunjukkan peningkatan jendela tegangan untuk pseudocapacitors dengan komposit berbasis MWCNT [52]. Gambar 6b menunjukkan kurva CV elektroda PANI|MWCNTs pada kecepatan pemindaian yang berbeda, menunjukkan perilaku kapasitif elektroda PANI|MWCNTs dapat sangat ditingkatkan dengan memuat PANI. Gambar 6c mengilustrasikan kurva GCD dari elektroda PANI|MWCNTs pada rapat arus yang berbeda 0,5, 1, 2, 3, 4, dan 5 A/g, dan kapasitansi spesifik yang sesuai diamati menjadi 258,4, 267,5, 218,9, 192,8, 173,7, dan 150.8 F/g, masing-masing, yang dapat dihitung dari Persamaan. (1). Hal ini menunjukkan bahwa waktu pengosongan pendek pada rapat arus tinggi sedangkan rapat arus rendah menghasilkan waktu pengosongan lebih lama. Alasan mengapa laju pengisian-pengosongan yang lebih lambat memungkinkan ion memiliki waktu yang cukup untuk mengakses situs elektroaktif yang tidak tersedia pada rapat arus yang lebih tinggi karena kendala waktu ion elektrolit [53, 54]. Pada Gambar 6d, terlihat bahwa Rct elektroda PANI|MWCNTs menurun seperti yang diharapkan dibandingkan dengan elektroda PANI dan MWCNT. Pada saat yang sama, kemiringan plot EIS untuk elektroda PANI|MWCNTs lebih curam daripada elektroda PANI atau MWCNTs di wilayah frekuensi rendah. Hasil ini menunjukkan bahwa elektroda PANI|MWCNTs memiliki kinerja kapasitansi yang lebih baik. Gambar 6e menunjukkan stabilitas siklus (garis hitam) dan kapasitansi spesifik pada rapat arus yang berbeda (garis merah) dari elektroda PANI|MWCNTs. Dari kurva, ini menunjukkan sedikit peningkatan kapasitansi selama 150 siklus pertama dan tetap 97,9% retensi kapasitansi setelah 1000 siklus, menunjukkan stabilitas siklus jangka panjang yang lebih disukai. Hal ini karena kawat nano PANI dan MWCNT secara efektif dapat meningkatkan stabilitas bahan elektroda [55]. Garis merah menunjukkan perubahan kapasitas spesifik PANI|MWCNTs dengan perubahan rapat arus. Secara keseluruhan, penurunan kapasitas spesifik dengan meningkatnya kerapatan arus dapat dikaitkan dengan alasan yang sama seperti elektroda MS1MWCNT1. Sangat menarik, kapasitas spesifik hibrida PANI|MWCNT meningkat pada 1,0 A/g dan kemudian menurun. Hal ini mungkin disebabkan oleh bahan elektroda yang diaktifkan lebih lanjut selama pengisian dan pemakaian, atau ion elektrolit tidak dapat memasuki situs tertentu dari bahan elektroda pada rapat arus rendah.
Kurva GCD dari elektroda PANI, MWCNTs, dan PANI|MWCNTs pada 1 A/g (a ); Kurva CV elektroda PANI|MWCNTs pada kecepatan pemindaian yang berbeda (b ); Kurva GCD elektroda PANI|MWCNTs pada rapat arus yang berbeda (c ); EIS elektroda PANI, MWCNT, dan PANI|MWCNTs (d ); stabilitas setelah 1000 siklus CV (garis hitam); dan kapasitansi spesifik pada rapat arus yang berbeda (garis merah) dari elektroda PANI|MWCNTs (e )
ASC Quasi-Solid-State:MM//PM
Gambar 7a menunjukkan bahwa jendela tegangan ASC quasi-solid-state as-assembled MM//PM ASC dapat diperluas hingga 1,5 V. Seperti yang diharapkan, kurva CV ASC as-assembled dapat mempertahankan bentuk kuasi-persegi panjang bahkan pada 1,5 V. Kurva kuasi-persegi panjang ini mendukung MM//PM ASC quasi-solid-state dengan perilaku kapasitif yang sangat baik dan proses pengisian-pengosongan yang dapat dibalik. Untuk mengukur kinerja elektrokimia lebih lanjut, dilakukan bentuk kuasi-simetris antara kurva pelepasan dan pengisian mulai dari 0,5 hingga 4 A/g dan ditunjukkan pada Gambar 7b, yang menunjukkan bahwa ASC MM//PM menunjukkan perilaku kapasitif dengan efisiensi columbic tinggi. Gambar 7c menunjukkan plot Nyquist tipikal untuk MM//PM ASC quasi-solid-state, termasuk resistansi larutan (Rs) sebesar 20,86 Ω dan resistansi transfer muatan (Rct) sebesar 15,49 Ω. EIS MM//PM ASC yang rendah dapat dikaitkan dengan pengenalan MWCNT, yang menghasilkan mitigasi aglomerasi MoS2 dan meningkatkan konduktivitas listrik, dan jaringan konduktif yang dihubungkan oleh nanotube karbon bermanfaat untuk pengangkutan ion dan muatan pada antarmuka elektroda|elektrolit. Pada frekuensi rendah, muncul garis dengan kemiringan yang curam, yang menunjukkan bahwa MM//PM ASC memiliki perilaku kapasitansi yang unggul, yang disebabkan oleh efek sinergis dari karakteristik lapisan listrik ganda dan karakteristik kapasitansi semu yang berasal dari MWCNT, PANI, dan keterbasahan tinggi dan katalitik MoS yang baik2 . Garis hitam pada Gbr. 7d menunjukkan stabilitas siklus ASC MM//PM, yang juga menunjukkan peningkatan kecil kapasitansi pada 100 siklus awal dan kemudian menunjukkan tren penurunan yang lembut dan tetap 65,2% retensi kapasitansi setelah 1000 siklus, menunjukkan stabilitas bersepeda jangka panjang yang lebih baik dengan elektrolit gel untuk MM//PM ASC. Ini karena kerangka nanotube karbon dan elektrolit gel dapat secara efektif meningkatkan stabilitas untuk MM//PM ASC. Garis merah pada Gambar 7d menunjukkan kapasitansi spesifik ASC MM//PM dengan rapat arus pengisian yang berbeda. Kapasitansi spesifik menurun dengan meningkatnya kerapatan arus, menunjukkan akses material yang kurang aktif dan mengurangi pemanfaatan material yang efektif pada laju pemindaian yang lebih tinggi [20]. Di antara mereka, kapasitansi spesifik maksimum 138,13 F/g diamati untuk MM//PM ASC quasi-solid-state pada 1 A/g.
CVs at different voltage windows (a ), GCD at different current densities (b ), EIS (c ), and the stability after 1000 cycles CVs (black line), and specific capacitance at different current densities (red line) (d ) for the quasi-solid-state MM//PM ASC
The Ragone plot of the as-prepared quasi-solid-state MM//PM ASC is shown in Fig. 8a. The energy and power densities are derived from GCD at different current densities. From the Ragone plots, the quasi-solid-state MM//PM ASC shows a high energy density of 38.9 Wh/kg at a power density of 382.61 W/kg. Even at a high-power density of 2217.95 W/kg, a relatively high energy density of 15.09 Wh/kg still remains. The results illustrate that the quasi-solid-state MM//PM ASC has excellent electrochemical properties of high energy density and power output. In order to demonstrate the actual output power, Fig. 8b shows that the red LED bulb can be easily lighted based on a series group consisted of two neutral quasi-solid-state MM//PM ASCs, suggesting the potential application.
The energy density of as-prepared quasi-solid-state MM//PM ASCs at different power densities (a ). Diagram of a small red LED bulb is lighting up with as-prepared ASCs (b )
Kesimpulan
In summary, two composites of MoS2 - and PANI-mixed MWCNTs are prepared by using simple hydrothermal and low-cost chemical polymerization method and served as cathode and anode electrode’ materials for asymmetric supercapacitor devices. The specific capacitances of MS1MWCNT1 and PANI|MWCNTs electrodes are 255.8 and 267.5 F/g at 1 A/g, respectively through extensive electrochemical testing. These active composite materials not only maintain the higher stability and conductivity, but also have a larger capacity than that of a single one, which implies that the composite materials produce a better specific capacitance, higher energy, and power densities for their synergistic effect. Besides, the quasi-solid-state MM//PM ASC based on PVA-Na2 JADI4 gel electrolyte exhibits a good charge transfer resistance of 15.49 Ω, specific capacitance of 138.1 F/g at 1 A/g and 1.5 V, which energy density can still maintain 15.09 Wh/kg at a power density of 2217.95 W/kg. Two neutral quasi-solid-state MM//PM ASCs connected in series can light a red LED lamp. These results further indicate that this asymmetric supercapacitor has a good application prospect.
