Pembentukan Bola Karbon Monodispersi dengan Ukuran Merdu melalui Sintesis Berbantuan Kopolimer Triblock dan Sifat Kapasitornya

Hasil dan Diskusi

Dalam penelitian ini, kami menyajikan mekanisme sintesis yang mungkin dari MCS dalam Skema 1. Langkah I adalah proses sol-gel. Pada jalur a, tetesan emulsi terbentuk melalui interaksi ikatan hidrogen antara fenol, formaldehida, molekul amonia, etanol, dan air [16]. Molekul amonia mengkatalisis polimerisasi PF yang terjadi dari dalam tetesan emulsi [22]. Selain itu, sejumlah besar unit tersubstitusi PF hidroksimetil diproduksi oleh reaksi cepat fenol dan formaldehida, yang diposisikan di permukaan luar tetesan emulsi karena interaksi elektrostatik dengan ion amonia. Secara bersamaan, jalur b menunjukkan proses self-forming misel F108 yang dibentuk oleh monomer F108 kopolimer triblok, yang merupakan blok PPO hidrofobik untuk membentuk nukleus di dalam dan segmen PEO hidrofilik di luar [23]. Kemudian, di jalur c, tetesan emulsi yang melimpah/spesies tersubstitusi PF hidroksimetil dapat berinteraksi dengan segmen PEO hidrofilik dari misel F108 melalui interaksi ikatan hidrogen untuk membentuk koloid emulsi [24]. Pada langkah II, di bawah kondisi perlakuan hidrotermal ringan, spesies tersebut untuk polimerisasi ikatan silang lebih lanjut dan menghasilkan bola kopolimer resin PF/F108 yang seragam. Terakhir, pada langkah III, bola kopolimer resin PF/F108 diikuti dengan karbonisasi pada suhu tinggi untuk mendapatkan MCS.

Proses sintesis MCS

Gambar SEM dari MCS yang disiapkan pada dosis PF yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 1a-d menunjukkan bahwa MCS memiliki morfologi sferis yang sempurna dengan ukuran yang seragam. Gambar TEM hadir pada Gambar. 1e-h lebih lanjut mengkonfirmasi MCS memiliki partikel bola, permukaan halus, dan dispersi tinggi. Diameter partikel rata-rata meningkat 500-2400 nm dengan meningkatnya dosis prekursor PF 0,2-0,8 mL, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1i-l. Hal ini dikarenakan meningkatnya konsentrasi prekursor PF menyebabkan droplet emulsi dan koloid dengan ukuran yang lebih besar dan menghasilkan diameter akhir MCS yang lebih besar. Penggunaan amonia dalam sistem ini sangat penting untuk keberhasilan sintesis MCS yang sangat dispersif, yang dapat memberikan NH₄ ⁺ untuk mematuhi permukaan bola PF dan menghambat agregasi. Terlihat bahwa MCS tanpa cacat permukaan yang jelas dan keruntuhan struktur setelah karbonisasi suhu tinggi. Ini adalah manfaat utama dari reaksi ikatan silang yang tinggi antara fenol dan formaldehida. Selain itu, kami juga menyelidiki peran kopolimer triblok F108 dalam sistem ini. File tambahan 1:Gambar S1a menyajikan gambar SEM dari bola karbon yang diperoleh tanpa adanya F108. Produk memiliki ukuran partikel yang tidak seragam dan mengalami aglomerasi. Selanjutnya, ukuran partikel berkurang secara sistematis dengan meningkatnya dosis F108 dari 20 menjadi 80 mg, dan partikel kecil dan zat serpihan muncul di permukaan bola karbon dan akhirnya mengalami penggabungan yang hebat (File tambahan 1:Gambar S1b~d). Alasannya adalah bahwa ketika kopolimer triblok F108 cukup dalam sistem, tegangan permukaan menurun, interaksi ikatan silang yang lebih kuat terjadi, dan tetesan emulsi berukuran lebih kecil dan bola karbon terbentuk. Namun, konsentrasi F108 yang tepat dapat menyeimbangkan tegangan permukaan dan gaya interaksi ikatan silang dan mendapatkan permukaan yang halus dan bola karbon berukuran seragam. Selain itu, pengaruh konsentrasi F108 pada sifat elektroda MCS juga diselidiki, seperti yang ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S2. Hasilnya mengungkapkan bahwa kopolimer triblok F108 berperan sebagai zat aktif permukaan untuk pembentukan MCS.

Gambar SEM dan TEM dari MCS disiapkan pada dosis fenol dan formaldehida yang berbeda dari a , e 0,2 mL, b , f 0,4 mL, c , g 0,6 mL, dan d , h 0,8 mL, masing-masing. saya –l Distribusi ukuran partikel MCS yang sesuai dengan gambar SEM (a –d )

MCS yang disintesis ini mungkin memiliki beberapa aplikasi potensial seperti katalisis, adsorpsi, dan bahan elektroda untuk superkapasitor dan baterai lithium-ion. Untuk memahami sifat struktur dari bahan yang disiapkan, aMCSs-0.4 dipilih sebagai sampel yang selanjutnya digunakan untuk analisis karakterisasi. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a, pola XRD dari aMCSs-0.4 menampilkan dua puncak difraksi luas yang jelas pada 25° dan 43°, sesuai dengan bidang kisi (002) dan (100) dari bahan karbon amorf, masing-masing. Ini juga menunjukkan konversi lengkap resin PF menjadi bahan karbon dan hampir penghapusan kopolimer triblok F108 setelah karbonisasi. Spektrum Raman dari aMCSs-0.4 (Gbr. 2b) menunjukkan dua puncak khas pada 1337 cm ⁻¹ (pita D) dan 1590 cm ⁻¹ (G band), yang sesuai dengan cacat kristal dan sifat grafit heksagonal bahan karbon, masing-masing. Rasio intensitas (I _D /Aku _G ) bahan karbon mencerminkan derajat grafitisasi [25]. Aku _D /Aku _G nilai aMCSs-0.4 adalah sekitar 0,88, yang juga menguatkan struktur amorf.

a pola XRD. b spektrum Raman. c spektrum survei XPS. d Spektrum resolusi tinggi N 1s. e Isoterm adsorpsi/desorpsi nitrogen. f Kurva distribusi ukuran pori material aMCSs-0.4

Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2c, survei XPS dari aMCSs-0.4 menunjukkan tiga puncak C 1s (285,2 eV), N 1s (400,1 eV), dan O 1s (532,7 eV). Komposisi unsur C, N, dan O dalam aMCSs-0.4 berturut-turut adalah 92,54 pada%, 1,04 pada%, dan 6,42 pada%. Hasilnya menunjukkan bahwa amonia dapat bertindak sebagai sumber nitrogen untuk memasukkan unsur N ke dalam kerangka karbon. Gambar 2d menampilkan spektrum resolusi tinggi N 1s dari aMCSs-0.4. Empat puncak tipe pada 398,6 eV, 399,4 eV, 400,6 eV, dan 402,4 eV berkorelasi dengan pyridinic-N (N-6), pyrrolic-N (N-5), quaternary-N (NQ), dan pyridine-N-oxides (NX), masing-masing [10]. Secara umum, keberadaan gugus fungsi berbasis nitrogen tidak hanya dapat berkontribusi pada penambahan pseudocapacitance tetapi juga dapat meningkatkan keterbasahan permukaan dan konduktivitas listrik bahan karbon, dan dengan demikian meningkatkan kinerja elektrokimia [3, 26].

N₂ Pengukuran adsorpsi/desorpsi dilakukan untuk menyelidiki luas permukaan spesifik dan struktur pori internal dari bahan yang disiapkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2e, isoterm dari aMCSs-0.4 milik kurva tipe I yang khas dengan serapan curam pada tekanan relatif rendah, dan dataran tinggi hampir horizontal pada tekanan relatif yang lebih tinggi mengungkapkan struktur mikropori. Luas permukaan BET dan total volume pori aMCSs-0.4 ditentukan menjadi 960 m ² g ⁻¹ dan 0,51 m ³ g ⁻¹ , masing-masing. Kurva distribusi ukuran pori aMCSs-0.4 ditunjukkan pada Gambar. 2f, yang menunjukkan struktur mikropori dengan diameter 0,7 nm, 1,1 nm, dan 1,4 nm. Gambar TEM resolusi tinggi (File tambahan 1:Gambar S3) juga sesuai dengan hasil ini. Struktur karbon mikropori dihasilkan dari dekomposisi F108 selama karbonisasi dan aktivitas kimia KOH [27, 28].

Di sini, kami menggunakan aMCSs-0.4 sebagai bahan elektroda untuk kapasitor lapis ganda listrik (EDLC) untuk menunjukkan keunggulan struktural dan kinerjanya. Kurva CV dari elektroda aMCSs-0.4 menunjukkan bentuk persegi panjang pada kecepatan pemindaian yang berbeda dari 10 hingga 100 mV s ⁻¹ (Gbr. 3a), dan kurva GCD menampilkan profil segitiga yang khas (Gbr. 3b). Ini mengungkapkan bahwa bahan aMCSs-0.4 memiliki kinerja EDLC yang sempurna. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, elektroda aMCSs-0.4 menunjukkan kapasitansi spesifik yang sangat baik sebesar 310 F g ⁻¹ pada rapat arus 0,5 A g ⁻¹ , yang lebih tinggi dari elektroda MCS serupa lainnya [12,13,14]. Manfaat kapasitansi spesifik yang tinggi dari area permukaan yang besar dan doping heteroatom. Selain itu, kapasitansi spesifik masih mempertahankan 200 F g ⁻¹ bahkan pada rapat arus besar 20 A g ⁻¹ ; itu menunjukkan retensi kapasitansi yang baik. Muatan transportasi dan transfer perilaku kinetik dapat diperiksa oleh EIS. Plot Nyquist dari elektroda aMCSs-0.4 (Gbr. 3d) menampilkan resistansi internal kecil (0,45 ) dan resistansi transfer muatan (0,12 ) yang mengungkapkan konduktivitas elektron yang tinggi dari bahan aMCSs-0,4 yang disiapkan dan antarmuka kontak elektroda/elektrolit yang baik . Garis hampir vertikal di daerah frekuensi rendah menunjukkan elektroda aMCSs-0.4 memiliki sifat kapasitor yang ideal dan difusi ion elektrolit yang efisien. Hasil ini lebih lanjut dikonfirmasi oleh plot Bode (Gbr. 3e), yang menampilkan sudut fase (− 80,5°) mendekati 90°. Selanjutnya, elektroda aMCSs-0.4 menunjukkan stabilitas siklus yang baik dengan retensi 92% selama 10.000 siklus pada rapat arus 20 A g ⁻¹ (Gbr. 3f). Oleh karena itu, dari atas, semua hasil dengan jelas menyoroti aplikasi potensial yang menarik dari MCS untuk elektroda EDLC.

Karakteristik elektrokimia dari elektroda aMCSs-0.4. a Kurva CV pada kecepatan pemindaian yang berbeda dari 10 hingga 100 mV s ⁻¹ . b Kurva GCD pada rapat arus yang berbeda dari 0,5 hingga 20 A g ⁻¹ . c Kapasitansi spesifik sebagai fungsi rapat arus. d Plot Nyquist dan inset menunjukkan plot perbesaran pada rentang frekuensi tinggi. e plot. f Performa bersepeda pada kepadatan arus 20 A g ⁻¹ untuk 10.000 siklus