Performa Superkapasitor yang Ditingkatkan melalui Komposit Karbon Mesoporus Terurut Doped Nitrogen dengan Lapisan Polianilin

Abstrak

Dengan mengintegrasikan polianilin (PANI) pada karbon mesoporus terurut doped nitrogen (NOMC) melalui strategi polimerisasi in-situ, kami telah mencapai material hybrid yang menyediakan kapasitansi spesifik rekaman sebesar 276,1 F g⁻¹ pada 0,2 A g⁻¹ dalam 6 M KOH. Hybrid ini juga menunjukkan densitas energi 38,4 Wh kg⁻¹ dan mempertahankan sekitar 80 % kapasitasnya setelah 5.000 siklus dalam elektrolit alkaline. Dengan catatan menarik, densitas energi tetap stabil di seluruh rentang luas daya yang luas—perilaku yang berbeda dari sebagian besar komposit yang dilaporkan. Hasil ini menunjukkan bahwa arsitektur PANI/NOMC menawarkan jalan yang menjanjikan menuju superkapasitor berperforma tinggi.

Latar Belakang

Seiring dengan meningkatnya keluhan lingkungan dan ketersediaan sumber daya yang terbatas, upaya untuk menemukan solusi penyimpanan energi yang bersih dan efisien telah menjadi prioritas utama. Superkapasitor—dikenal karena kemampuan charge-discharge yang cepat, densitas daya tinggi, umur siklus panjang, dan ramah lingkungan—menjadi alternatif yang menarik dibandingkan baterai konvensional. Namun, densitas energi yang relatif rendah membatasi adopsi yang luas. Kunci untuk membuka potensi penuhnya terletak pada pengembangan material elektroda canggih.

Polianilin, polimer konduktif, menawarkan kapasitansi teoretis yang tinggi, biaya rendah, dan sintesis yang mudah. Namun, performa praktisnya seringkali terhambat oleh perubahan volume selama siklus redoks, yang mengganggu konduktivitas dan stabilitas. Menggabungkan PANI dengan matriks karbon konduktif yang kuat adalah strategi yang terbukti untuk mengatasi kelemahan ini. Misalnya, dukungan grafen doped boron telah menghasilkan kapasitansi yang tinggi dan stabilitas siklus yang luar biasa dalam media asam dan alkaline.

Karbon mesoporus, terutama yang memiliki struktur pori terurut, dihargai karena luas permukaan tinggi, porositas yang dapat diatur, daya tahan kimia, kekuatan mekanis, dan konduktivitas. Doping karbon ini dengan heteroatom nitrogen dan sulfur lebih meningkatkan aktivitas elektrokimia mereka dengan memperkenalkan situs donor elektron. Dalam pekerjaan ini, kami mengeksploitasi karbon mesoporus terurut doped nitrogen (NOMC) sebagai kerangka untuk penyelepan PANI, menghasilkan hybrid yang secara sinergis menggabungkan kapasitansi pseudo tinggi PANI dengan keunggulan struktural dan konduktif NOMC.

Material dan Metode

Sintesis Material

Semua reagen kelas analisis dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Resol disintesis melalui jalur kondensasi phenol-formaldehida: phenol (0,94 g) dipanaskan pada 42 °C, diikuti oleh penambahan lambat 0,2 g larutan NaOH 20 % sambil diaduk. Selanjutnya, 1,62 g formaldehida 37 % ditambahkan secara tetesan, dan campuran diaduk selama 1 jam pada 70 °C. Setelah pendinginan, pH disesuaikan menjadi 7,0 dengan 0,1 M HCl, dan resol diperoleh dengan pengeringan vakum pada 50 °C.

Untuk persiapan NOMC, 0,33 g SBA-15 dilarutkan dalam 9 g etanol, kemudian 3 g resol (20 % dalam etanol) dan 0,3 g sianamida ditambahkan dan diaduk selama 8 jam. Bubuk kuning yang dihasilkan diendapkan dengan menguapkan pelarut pada 60 °C selama 10 jam, kemudian dianaling di bawah N₂ pada 800 °C selama 3 jam (ramp 10 °C min⁻¹). Produk diikis dalam 10 % HF, difilter, dicuci dengan etanol, dan dikeringkan di bawah vakum pada 60 °C selama 12 jam.

Untuk memproduksi PANI/NOMC-x (di mana x menunjukkan rasio massa awal PANI:NOMC), 0,1 g NOMC didispersekan dalam 7,5 mL etanol dan 2,5 mL DMF melalui ultrasonikasi. 0,1 × g anilin dilarutkan dalam suspensi ini dalam mandi es-air dengan pengadukan selama 2 jam. Kemudian, persulfat amonium dan HCl (rasio molar 1:1:1 relatif terhadap anilin) ditambahkan, dan campuran diaduk selama 10 jam pada 0 °C. Padatan yang dihasilkan diungkit pada 8000 rpm selama 20 menit, dicuci dengan etanol dan air deion, dan dikeringkan di bawah vakum pada 50 °C selama 1 jam.

Karakterisasi Material

Morfologi diperiksa dengan TEM (Tecnai G2 F30) dan SEM (Sirion 200). Spektrum FT-IR dan XRD mengonfirmasi struktur kimia NOMC dan PANI/NOMC-x. XPS mengkuantifikasi komposisi elemen (C, N, O) dan mengungkapkan lingkungan ikatan. Analisis BET memberikan luas permukaan spesifik dan distribusi ukuran pori.

Pengukuran Elektrokimia

Performa elektrokimia dievaluasi menggunakan workstation CHI 660E dalam 2 M KOH dalam kondisi ambien dengan sel tiga elektroda (PANI/NOMC-x sebagai elektroda kerja, kawat Pt sebagai elektroda lawan, SCE sebagai referensi). Elektroda kerja disiapkan dengan mencampur 85 % PANI/NOMC-x, 10 % acetylene black, dan 5 % PTFE (rasio massa) dan mencetaknya pada kolektor arus 1 cm², diikuti dengan penekanan pada 10 MPa dan pengeringan vakum pada 50 °C. Kapasitansi spesifik (C) dihitung dari kurva charge-discharge galvostatik: C = It/(ΔV m). Densitas energi (E) dan daya (P) berasal dari E = ½ C ΔV² dan P = E/t masing-masing.

Hasil dan Pembahasan

Jalur sintesis diilustrasikan dalam Gambar 1a. Templat SBA-15 diimpregnasi dengan resol dan sianamida, diikuti oleh karbonisasi pada 800 °C. Pengikisan pasca dengan HF menghapus templat, menghasilkan NOMC. PANI kemudian dipolimerisasi in-situ pada permukaan NOMC, menghasilkan komposit PANI/NOMC-x. Citra SEM (Gambar 1b–f) menunjukkan bahwa baik NOMC maupun PANI/NOMC-0.5 terdiri dari partikel silindris ~1 µm; kehadiran lapisan lapisan pada yang terakhir mengonfirmasi penyelepan PANI yang berhasil. TEM (Gambar 1d, g) menunjukkan bahwa struktur pori seperti serangga 3 nm terurut NOMC terpelihara setelah lapisan PANI.

Spektrum FT-IR (Gambar 1h) menampilkan puncak PANI karakteristik pada 1120, 1300, dan 1496 cm⁻¹, yang intensitasnya meningkat dengan beban PANI yang lebih tinggi, mengonfirmasi fungsionalisasi yang berhasil. Pola XRD (Gambar 1i) menunjukkan bahwa baik NOMC maupun PANI/NOMC-0.5 mempertahankan struktur karbon amorf, yang menyiratkan bahwa penyelepan PANI tidak mengganggu kerangka mesoporus.

Analisis XPS (Gambar 2 dan Tabel 1) menunjukkan kehadiran spesies nitrogen piridin, pirrol, dan grafit, serta fungsionalitas C=O. Peningkatan rasio massa PANI mengurangi fraksi C=C dan meningkatkan konten C=O, yang mencerminkan integrasi rantai PANI.

Pengukuran BET (Gambar 3) menunjukkan bahwa NOMC memiliki luas permukaan tinggi sebesar 1051 m² g⁻¹ dengan ukuran pori rata-rata 2,82 nm. Lapisan PANI secara bertahap mengurangi luas permukaan (misalnya, PANI/NOMC-0.5: 209 m² g⁻¹) dan memperbesar ukuran pori rata-rata, sesuai dengan penutupan pori oleh cangkang polimer.

Evaluasi elektrokimia (Gambar 4) menunjukkan bahwa NOMC menampilkan profil CV hampir persegi panjang, karakteristik kapasitansi lapis ganda. PANI/NOMC-x menampilkan puncak redoks yang jelas yang dapat diatribusikan pada transisi leucoemeraldine/emeraldine/pernigraniline, yang menunjukkan kontribusi kapasitansi pseudo. Pada 1 A g⁻¹, kapasitansi spesifik PANI/NOMC-0.2, -0.5, -1, -2, dan -4 adalah 211.2, 258.9, 244.5, 143.6, dan 53.0 F g⁻¹, masing-masing. Rasio optimal 0.5 memberikan kapasitansi tertinggi (258.9 F g⁻¹) dan mempertahankan 81 % kapasitasnya saat densitas arus meningkat 25 kali (0.2 hingga 5 A g⁻¹). Plot Nyquist (Gambar 4c) mengonfirmasi resistensi transfer muatan rendah untuk semua hybrid, sementara wilayah frekuensi rendah yang linier menunjukkan perilaku kapasitif yang luar biasa.

Uji siklus (Gambar 5c) menunjukkan bahwa NOMC mempertahankan 95 % kapasitasnya setelah 5000 siklus, sedangkan PANI/NOMC-0.5 mempertahankan ~80 %—bukti struktur komposit yang kuat. Plot Ragone (Gambar 5d) mengungkapkan bahwa PANI/NOMC-0.5 mencapai densitas energi 38.4 Wh kg⁻¹ pada 200 W kg⁻¹, dengan penurunan minimal di seluruh luas daya yang lebih tinggi, fenomena yang jarang dilaporkan untuk sistem serupa.

Kesimpulan

Hybrid karbon mesoporus terurut doped nitrogen dengan lapisan polianilin telah berhasil disintesis melalui pendekatan templat keras dan polimerisasi in-situ. Dengan menikahkan kapasitansi pseudo teoretis tinggi PANI dengan stabilitas struktural dan konduktivitas NOMC, komposit ini menunjukkan kapasitansi spesifik yang superior (hingga 276.1 F g⁻¹), kemampuan laju yang luar biasa, dan daya tahan siklus jangka panjang (~80 % retensi setelah 5000 siklus). Atribut ini memposisikan PANI/NOMC sebagai kandidat yang menarik untuk superkapasitor generasi mendatang, terutama dalam aplikasi penyimpanan energi fleksibel dan dapat dikenakan.

Singkatan

DMF:

Dimethylformamide

NOMC:

Karbon mesoporus terurut doped nitrogen

OMC:

Karbon mesoporus terurut

PANI:

Polianilin

PANI/NOMC-x:

Komposit karbon mesoporus terurut doped nitrogen dan polianilin dengan rasio massa berbeda

SEM:

Mikroskop elektron pemindai

TEM:

Mikroskop transmisi elektron

XPS:

Spectroskopi fotoelektron X-ray

XRD:

Diffraksi bubuk X-ray