Meningkatkan Kepadatan Energi Superkapasitor dengan Grafena Oksida Reduksi Termal Interkalasi Surfaksan Anionik dalam Elektrolit Cair Ioni
Abstrak
Komposit oksida grafen reduksi termal (TRG) dirancang dengan jarak antar-lapisan yang dapat dikontrol dengan interkalasi surfaktan anionik natrium lauril sulfat (SDS). Langkah pemrosesan pasca sederhana yang melibatkan pencucian TRG interkalasi SDS (TRGS) dengan cair ioni (IL) 1-etil-3-metilimidazolium bis(trifluorometilsulfonil)imidat (EMI-TFSI) memperluas jarak antar-lapisan lebih jauh melalui interaksi Coulomb. Pengujian elektrokimia dalam elektrolit EMI-TFSI menunjukkan bahwa energi densitas spesifik elektrode TRGSE yang dihasilkan naik dari 34,9 ke 61,8 Wh kg⁻¹ pada 1 A g⁻¹, mengonfirmasi bahwa jarak antar-lapisan yang lebih luas meningkatkan luas permukaan yang dapat diakses untuk ion IL.
Latar Belakang
Superkapasitor, atau kapasitor lapisan ganda listrik (EDLC), dihargai karena kepadatan daya tinggi, umur siklus panjang, rentang suhu luas, dan pemeliharaan minimal, menjadikannya menarik untuk kendaraan listrik dan elektronik portabel [1, 2]. Penyimpanan energi dalam EDLC bergantung pada adsorpsi ion pada antarmuka elektroda/elektrolit, jadi memaksimalkan luas permukaan spesifik elektroda dan mengoptimalkan antarmuka elektroda/elektrolit adalah tujuan desain yang krusial [3–6].
Cair ioni (IL) menyediakan jendela elektrokimia lebar (>3 V) dan stabilitas termal yang baik, memungkinkan tegangan sel dan densitas energi yang lebih tinggi dibandingkan elektrolit air [7–10]. Namun, diameter ion yang biasanya besar dalam IL dapat membatasi akses ke mikropori karbon dengan luas permukaan tinggi. Oksida grafen reduksi (RGO) menawarkan luas permukaan teoretis tinggi (2630 m² g⁻¹) dan konduktivitas yang baik, namun ketiadaan fungsi oksigen setelah reduksi membuatnya hidrofobik dan cenderung menumpuk kembali [11–14].
Surfaktan seperti SDS dapat interkalasi antara lembar grafen melalui tarikan elektrostatis antara grup kepala anionik dan spesies oksigen sisa, sementara ekor hidrofobiknya menempel pada bidang dasar, sehingga mencegah penumpukan kembali dan memungkinkan dispersi dalam media air [17, 18]. Pekerjaan sebelumnya telah menunjukkan bahwa RGO interkalasi surfaktan menunjukkan kapasitas yang lebih tinggi dalam media air daripada dalam IL, kemungkinan karena ukuran ion IL (≈0,7 nm untuk EMI-TFSI) melebihi jarak antar-lapisan (≈0,4 nm) dalam sistem hanya surfaktan [19].
Dalam studi ini, kami memperkenalkan strategi interkalasi dua langkah: (1) interkalasi SDS untuk menghasilkan TRGS; (2) pencucian TRGS dengan EMI-TFSI untuk membentuk TRGSE, di mana gaya Coulomb antara molekul SDS dan IL kemudian melembabkan jarak antar-lapisan.
Hasil dan Pembahasan
Morfologi
Mikroskop elektron pemindai (SEM) mengungkapkan bahwa TRG murni cenderung mengaglomerasi menjadi partikel seperti grafit, sedangkan TRGS dan TRGSE menampilkan morfologi yang lebih eksfoliat, keriput, dengan tepi berkerut, yang menunjukkan interkalasi SDS yang berhasil dan spasi yang diinduksi oleh IL selanjutnya (Gambar 2).
a TRG, b TRGS, dan c TRGSE
Stabilitas Termal
Analisis gravimetrik termal (TGA) menunjukkan penurunan berat kecil di sekitar 100 °C untuk semua sampel karena kelembaban. TRG menunjukkan penurunan 8 % bertahap hingga 500 °C sebelum dekomposisi cepat, sementara TRGS dan TRGSE menunjukkan penurunan 24–28 % yang lebih curam di sekitar 200 °C, yang mencerminkan dekomposisi komponen SDS dan IL (Gambar 3).
Analisis gravimetrik termal untuk TRG, TRGS, dan TRGSE
Karakterisasi Spektroskopi
Spektra spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) mengonfirmasi interaksi antara SDS dan IL. Getaran simetri SO₂ berubah dari 1084 ke 1080 cm⁻¹ pada TRGS, dan lebih lanjut ke 1195/1226 cm⁻¹ pada TRGSE, menunjukkan pertukaran ion yang kuat (Gambar 4).
a Spektra FTIR TRG, SDS, TRGS, dan TRGSE. (b) Zoom pada daerah getaran tertentu
Jarak Antar-Lapisan
Difraksi sinar X bubuk (XRD) menunjukkan puncak (001) pada 24,6° untuk TRG (d = 0,36 nm), 13,3° untuk TRGS (d = 0,66 nm), dan puncak yang lebih lebar untuk TRGSE, yang menunjukkan perluasan lebih lanjut. Pembuaran sinar X sudut kecil (SAXS) mengonfirmasi jarak antar-lapisan 3,92 nm pada TRGSE, selaras dengan pembentukan agregat SDS/IL (Gambar 5).
a Pola XRD. b Profil SAXS untuk TRG, TRGS, dan TRGSE
Performa Elektrokimia
Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) menunjukkan bahwa TRGS dan TRGSE memiliki resistansi kontak lebih rendah (Rc ≈ 200–270 Ω cm⁻²) dibandingkan TRG murni (Rc ≈ 388 Ω cm⁻²). Jarak antar-lapisan yang lebih besar pada TRGSE mengurangi resistansi difusi (Rp = 11,2 Ω cm⁻²) dibandingkan TRGS (21,3 Ω cm⁻²), meski dengan biaya resistansi internal keseluruhan yang sedikit lebih tinggi (R ≈ 285 Ω cm⁻²) (Gambar 6).
Spektrum impedansi sel EDLC TRG, TRGS, dan TRGSE
Voltometri sikan siklik (CV) menunjukkan kurva hampir persegi panjang untuk TRGS dan TRGSE, yang menunjukkan perilaku kapasitif ideal, sedangkan TRG menyimpang secara signifikan (Gambar 7). Nilai kapasitansi spesifik pada 1 A g⁻¹ adalah 43,1, 112,6, dan 200,5 F g⁻¹ untuk TRG, TRGS, dan TRGSE, masing-masing—kapasitansi TRGSE 1,78 × lebih tinggi daripada TRGS (Gambar 8).
Kurva voltometri sikan siklik a TRG, b TRGS, dan c TRGSE pada berbagai laju pemindaian. d Kapasitansi spesifik versus laju pemindaian
Kurva penggalvanostatis memastikan bahwa TRGSE mempertahankan densitas energi tertinggi—61,8 Wh kg⁻¹ pada 1 A g⁻¹—dibandingkan TRGS (34,9 Wh kg⁻¹) dan TRG (15,3 Wh kg⁻¹). Pada densitas arus lebih tinggi, TRGSE mempertahankan 4,1 Wh kg⁻¹ pada 18 A g⁻¹, sementara TRG turun di bawah 0,5 Wh kg⁻¹ (Gambar 9). Plot Ragone mengilustrasikan trade-off superior antara energi dan daya untuk TRGSE (Gambar 10).
Penggalvanostatis untuk a TRG, b TRGS, c TRGSE dengan IL, dan d TRGSE dengan 2 M H₂SO₄
Kapasitansi spesifik versus laju penggalvanostatis
Plot Ragone TRG, TRGS, dan TRGSE
Kesimpulan
Dengan interkalasi SDS ke dalam oksida grafen reduksi termal dan kemudian memperkenalkan EMI-TFSI, kami mencapai perluasan jarak antar-lapisan yang dapat dikontrol dari 0,66 ke 3,92 nm. Pengaturan struktural ini secara substansial meningkatkan luas permukaan yang dapat diakses untuk elektrolit IL, yang mengarah pada kenaikan kapasitansi spesifik 1,78 kali dan kenaikan densitas energi 1,77 kali pada 1 A g⁻¹. Pendekatan ini menunjukkan jalan yang viable untuk EDLC berkinerja tinggi yang menggabungkan keuntungan struktural grafen dengan manfaat elektrokimia cair ioni.
Metode
TRG disintesis dari grafik alami melalui metode Hummers yang dimodifikasi diikuti oleh reduksi termal. Untuk TRGS, 10 mg TRG didispergikan dalam 30 mL 0,1 M SDS dan diultrasonik selama 12 jam, kemudian difilter vakum pada pemisah Celgard 3500. Film yang dihasilkan dicuci dengan 15 mL 0,2 M EMI-TFSI dalam etanol selama filtrasi untuk mendapatkan TRGSE. Kontrol elektroda TRG disiapkan dengan mendispergikan 10 mg TRG dalam 20 mL 20 wt% etanol dan difilter dengan cara yang sama. Elektroda (1 cm²) ditekan pada kolektor arus Stainless Steel 304. Sel EDLC dua elektroda dirangka dalam kantong teredup yang diisi dengan elektrolit EMI-TFSI dan diuji pada potentiostat VersaSTAT 4. Morfologi diperiksa oleh JEOL-6700 SEM, analisis struktural oleh Bruker-AXS D8 XRD dan Nanostar U SAXS, stabilitas termal oleh TA Q50 TGA (10 °C min⁻¹, N₂), dan spektrum getangan oleh Bruker Vertex 70v FTIR (4000–400 cm⁻¹).
