Aerogel Grafena/Polianiline yang Sangat Dapat Dikompresi: Superelastisitas Bersama Kapasitansi 713 F g⁻¹ untuk Superkapasitor Padat-All-State
Abstrak
Aerogel grafen yang superelastis menawarkan kemampuan kompresi luar biasa, namun kapasitansinya masih kurang untuk aplikasi dunia nyata. Dengan menempatkan polianiline (PANI) secara elektrokimia pada rangka grafen yang superelastis, kami mencapai material berfungsi ganda yang mempertahankan regangan pemulihan 90 % sambil menyampaikan kapasitansi spesifik 713 F g⁻¹ dalam konfigurasi tiga elektroda. Aerogel grafen/PANI yang dihasilkan berfungsi sebagai elektroda dalam superkapasitor padat-all-state, mencapai kapasitansi gravimetrik 424 F g⁻¹ dan kapasitansi volumetrik 65,5 F cm⁻³—nilai yang tetap mencapai 96 % kapasitas aslinya bahkan di bawah kompresi 90 %. Beberapa unit dapat disambungkan secara seri untuk meningkatkan tegangan operasional, menunjukkan potensi platform ini untuk penyimpanan energi fleksibel dan berkinerja tinggi.
Latar Belakang
Elektronik portabel dan dapat dikenakan memerlukan solusi penyimpanan energi yang dapat menahan deformasi mekanis signifikan, terutama kompresi. Superkapasitor (SC) unggul dalam kepadatan daya, laju charge–discharge yang cepat, dan siklus hidup, sehingga ideal untuk aplikasi tersebut. Namun, sebagian besar elektroda SC yang ada hanya memulihkan 50–75 % volume setelah kompresi, yang membatasi penerapan praktis.
Aerogel grafen yang superelastis, yang ditandai dengan pori seperti saringan lebah atau struktur gelembung, dapat memulihkan 90–99 % volume. Kemampuan kompresi tinggi mereka berasal dari dinding grafen multilayer yang terintegrasi erat dan jaringan pori teratur. Meskipun keuntungan mekanis ini, kapasitansi spesifiknya terbatas (37–90 F g⁻¹) karena mekanisme penyimpanan double‑layer yang melekat pada karbon.
Integrasi material pseudokapasitansi—seperti Co₃O₄, MnO₂, PANI, atau PPy—ke dalam aerogel grafen dapat meningkatkan kapasitansi. Studi sebelumnya dengan MnO₂ hanya mencapai 106 F g⁻¹ dan 50 % regangan, sebagian besar karena lemahnya perekat partikel. PANI, dengan interaksi π–π yang kuat terhadap grafen dan kapasitansi pseudo yang tinggi, menawarkan jalur yang menjanjikan untuk mengatasi keterbatasan ini.
Dalam pekerjaan ini, kami menempatkan PANI pada aerogel grafen yang superelastis melalui voltametri siklus, menciptakan komposit yang mempertahankan elastisitas rangka sambil menambahkan kapasitansi pseudo yang signifikan. Elektroda yang dihasilkan menunjukkan ketahanan mekanis luar biasa dan performa elektrokimia, seperti yang diverifikasi dalam SC padat-all-state.
Metode/Eksperimen
Persiapan Aerogel Grafen yang Superelastis
Oksida grafen (GO) disintesis melalui metode Hummers yang dimodifikasi. Dengan pendekatan cetak es, dispersi GO (5 mg mL⁻¹) dicampur dengan asam L‑askorbat, direduksi pada 90 °C, dilelehkan-beku, dan direduksi lebih lanjut untuk menghasilkan hidrogel grafen yang telah direduksi sepenuhnya. Dialisis dan pengeringan pada 60 °C menghasilkan aerogel yang superelastis.
Persiapan Aerogel Grafen/PANI yang Superelastis
PANI difungsikan secara elektrokimia pada aerogel melalui voltametri siklus (–0,2 hingga 0,8 V, 50 mV s⁻¹) selama 100–400 siklus dalam 1 M H₂SO₄/0,05 M anilin. Fraksi massa PANI ditentukan dari bobot sebelum dan setelah penempatan. Misalnya, 200 siklus (Grafene/PANI‑2) menghasilkan muatan PANI sebesar 63 wt %.
Pembuatan SC Padat-All-State yang Dapat Dikompresi
Gel elektrolit (PVA/H₂SO₄) disiapkan (rasio massa 4:5:50) dan diaduk pada 80 °C. Aerogel direndam selama 30 menit, kemudian dirangkang antara substrat PET yang dilapisi Au 100 nm. Separator Celgard 3501 yang terlumuri gel melengkapi sandwich, yang ditekan dan dikurasi pada 45 °C selama 24 jam.
Karakterisasi Material
Spektroskopi Raman, SEM/EDS, FTIR, XPS, dan uji kompresi (Instron‑5566, 100 mm min⁻¹) digunakan untuk menganalisis struktur, komposisi, dan respons mekanis.
Pengukuran Elektrokimia
CV, GCD, dan EIS dilakukan dengan workstation CHI660E. Kapasitansi spesifik (C_s) diperoleh dari data GCD: C_s = I·Δt/(m·ΔV). Dalam SC dua elektroda, kapasitansi gravimetrik (C_g) dan volumetrik (C_vol) dihitung menggunakan persamaan C_g = 4IΔt/(mΔV) dan C_vol = ρC_g, di mana ρ adalah densitas aerogel di bawah kompresi.
Hasil dan Diskusi
Alur pembuatan diilustrasikan dalam Gambar 1. Reduksi cetak es menghasilkan aerogel berpori tinggi berstruktur saringan lebah dengan lembaran grafen yang tumpang menumpuk erat untuk membentuk dinding sel yang kuat (Gambar 2). Arsitektur yang teratur memberikan baik elastisitas maupun luas permukaan yang tinggi.
Ilustrasi proses pembuatan aerogel grafen/PANI yang dapat dikompresi.
Gambar SEM (Gambar 3) mengonfirmasi bahwa PANI tumbuh sebagai nanokon uniform di sepanjang dinding sel, mempertahankan morfologi aerogel. Hingga 300 siklus CV, lapisan tetap konform; di luar ini, PANI berlebih membentuk jaringan nanowire yang dapat terlepas saat dicuci.
Gambar SEM penampang silang aerogel, penampang vertikal, dan tampilan pemuatan tinggi dari lapisan PANI.
FTIR (Gambar 4a) menunjukkan puncak karakteristik PANI (getaran C=C, C–N, dan C–H), sementara XPS mengonfirmasi doping PANI yang berhasil dengan ion sulfat. Rasio N⁺ yang tinggi menunjukkan status protonat dan konduktif yang tinggi.
Spektrum FTIR dan XPS aerogel sebelum dan setelah penempatan PANI.
Uji kompresi (Gambar 5) menunjukkan bahwa Grafene/PANI‑2 memulihkan regangan 90 % tanpa deformasi sisa dan mencapai tegangan puncak 131 kPa pada regangan 90 %—lebih tinggi dari aerogel yang tidak dimodifikasi (36 kPa). Bahkan setelah 500 siklus pada regangan 60 %, material mempertahankan integritas strukturalnya dengan hanya 5 % regangan sisa.
Imagery kompresi–pemulihan dan kurva tegangan–regangan aerogel sebelum dan setelah lapisan PANI.
Uji elektrokimia (Gambar 6) menunjukkan bahwa aerogel yang difungsikan PANI menyampaikan kapasitansi spesifik 713 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, yang tertinggi di antara komposit yang diuji. Retensi kapasitansi pada 10 A g⁻¹ adalah 82 %, dan stabilitas siklus adalah 92 % setelah 1.000 siklus GCD.
Kurva CV dan GCD aerogel pada berbagai densitas arus, dan nilai kapasitansi spesifik yang sesuai.
Dalam SC padat, elektroda grafen/PANI‑2 mempertahankan kapasitansi gravimetrik 424 F g⁻¹ dan kapasitansi volumetrik 65,5 F cm⁻³ pada regangan nol, dan mempertahankan 96 % nilai ini di bawah kompresi 90 %. Kapasitansi volumetrik naik menjadi 85,5 F cm⁻³ pada regangan 90 %, karena peningkatan densitas sambil mempertahankan sebagian besar kapasitas gravimetrik.
Performa elektrokimia SC di bawah berbagai regangan kompresi, termasuk CV, GCD, plot kapasitansi, dan kurva Nyquist EIS.
Siklus jangka panjang di bawah kompresi statis dan dinamis menunjukkan kehilangan kapasitansi minimal (≈ 9 % setelah 1.000 siklus). Analisis Ragmen menghasilkan densitas energi puncak 9,4 Wh kg⁻¹ pada kepadatan daya 0,4 kW kg⁻¹.
Untuk mengatasi tegangan rendah dari satu sel, tiga SC disambungkan secara seri melalui pola Au pada PET. Perangkat terintegrasi beroperasi pada 2,4 V, menyala LED merah bahkan selama siklus kompresi dan pelonggaran berulang (Gambar 8).
Ilustrasi pola Au untuk integrasi seri dan demonstrasi LED yang dihidupkan oleh komposit SC selama siklus kompresi.
Kesimpulan
Penempatan PANI secara elektrokimia pada aerogel grafen yang superelastis menciptakan komposit yang secara bersamaan menawarkan regangan pemulihan 90 % dan kapasitansi spesifik 713 F g⁻¹. Dalam SC padat-all-state, elektroda menyampaikan 424 F g⁻¹ dan 85,5 F cm⁻³ di bawah kompresi 90 %, outperforming komposit dapat dikompresi lainnya. Kemampuan untuk menyambungkan beberapa unit secara seri memperluas tegangan operasional, memungkinkan penyampaian daya praktis untuk elektronik fleksibel. Pekerjaan ini mendirikan platform yang kuat untuk perangkat penyimpanan energi generasi mendatang yang tahan kompresi.
