Komposit Grafena Oksida/Tabung Nano Karbon sebagai Aplikasi Elektroda Penyimpanan Energi Elektrokimia

Hasil dan Diskusi

Tujuan penambahan CNT ke dalam lembaran GO adalah bahwa CNT tidak hanya dapat mensuplai struktur yang terjerat setelah pencampuran fisik untuk menghindari aglomerasi lembaran GO tetapi juga meningkatkan konduktivitas film komposit GO/CNT untuk reduksi cepat GO menjadi ERGO. Gambar 1 menunjukkan gambar SEM film ERGO dan ERGO/CNT yang direduksi secara elektrokimia dari film GO/CNT dengan rasio massa GO/CNT yang berbeda. Perubahan warna yang jelas dari film komposit dari kuning samar menjadi hitam pekat (seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 1b) menunjukkan keberhasilan reduksi GO menjadi ERGO. Dari Gambar 1a, b kita dapat melihat struktur CNT yang terjerat dan struktur kerutan ERGO yang seperti punggungan ditampilkan dalam film komposit. CNT telah tertanam dalam ERGO secara merata setelah pencampuran fisik dan reduksi elektrokimia. CNT yang disematkan dapat melindungi lembaran ERGO agar tidak menggumpal secara efektif, dan struktur yang kusut dan terjerat ini mampu menawarkan luas permukaan yang lebih tinggi daripada ERGO murni. Struktur nano komposit yang sangat terbuka ini cocok untuk menyerap ion elektrolit dengan mudah dan cukup ke permukaan elektroda selama penyimpanan energi lapisan ganda listrik. Selanjutnya, dengan meningkatnya rasio massa CNT (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c, d), lebih banyak CNT yang menembus ke ERGO sebagai pendukung dan struktur agregat CNT disajikan.

Gambar SEM dari ERGO (a ) dan ERGO/CNT yang diperoleh dari GO/CNT dengan rasio massa yang berbeda:b GO/CNTs = 100:1, c GO/CNTs = 50:1, dan d GO/CNTs = 10:1; gambar sisipan di (b ) adalah gambar foto GO/CNT sebelum dan sesudah reduksi elektrokimia

Gugus fungsi GO dan ERGO dicirikan oleh spektrum FT-IR, yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Sedangkan untuk grafena oksida, puncaknya pada 3424 cm ⁻¹ dianggap berasal dari regangan O-H. Puncaknya pada 1735 dan 1629 cm ⁻¹ adalah hasil dari peregangan C=O dan C=C aromatik, masing-masing. Puncaknya pada 1222 cm ⁻¹ naik dari tekukan O–H dan puncaknya pada 1052 cm ⁻¹ dianggap berasal dari regangan C–O epoksi dan regangan alkoksi C–O. Gugus fungsi yang diidentifikasi ini oleh spektrum FT-IR menunjukkan sifat GO yang mengandung oksigen. Setelah reduksi elektrokimia, puncak spektrum yang jelas melemah adalah 1735 dan 1222 cm ⁻¹ [28], menunjukkan eliminasi sumur dari kelompok yang mengandung oksigen ini.

Spektrum FT-IR GO dan ERGO

Proses reduksi GO juga dibuktikan dengan perubahan konduktivitas nanokomposit, seperti terlihat pada Tabel 1. Dapat dilihat bahwa, pertama, penambahan CNT ke dalam lembar GO telah meningkatkan kemampuan listrik komposit GO/CNT. Dengan rasio penambahan GO ke CNT dari 0 hingga 50:1 dan 10:1, hambatan listrik nanokomposit bervariasi dari MΩ/sq. ke kΩ/sq. tingkat. Setelah reduksi elektrokimia, peningkatan konduktivitas listrik yang nyata dicapai dalam nanokomposit, yang menunjukkan pengurangan GO menjadi ERGO secara efektif. Peningkatan luar biasa dalam konduktivitas listrik film ERGO dikaitkan dengan penghapusan fungsi oksigen selama reduksi elektrokimia, dan sp ² simetris Ikatan C=C dibangun kembali untuk transfer pembawa yang lebih baik [20]. Dengan demikian, dengan meningkatnya konduktivitas listrik, jalur konduksi yang lebih kontinu dan lengkap terbentuk pada komposit ERGO/CNT. Hasil pada Tabel 1 juga mengungkapkan bahwa, setelah reduksi elektrokimia, tidak ada perbedaan konduktivitas yang ditemukan antara nanokomposit ERGO dan ERGO/CNT, dan hasil ini menunjukkan bahwa ERGO yang tereduksi menunjukkan kemampuan menghantarkan listrik yang sebanding dengan CNT.

Perubahan struktur GO setelah reduksi elektrokimia dicirikan oleh spektrum Raman dan analisis difraksi sinar-X, yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Dari Gambar. 3a, pita D pada ~ 1345 cm ⁻¹ dan pita G pada 1583 cm ⁻¹ , yang ditugaskan untuk cacat struktural yang tidak teratur dan E _2g fonon atom karbon sp2 [29], disajikan, masing-masing. Perlu dicatat bahwa film ERGO menunjukkan I . yang lebih tinggi _D /Aku _G rasio dari film GO murni karena penurunan jumlah cacat setelah reduksi elektrokimia. Komposit ERGO/CNT menunjukkan I . yang lebih rendah _D /Aku _G rasio dari ERGO karena penambahan CNT.

a Spektrum Raman dan b Spektrum difraksi sinar-X dari GO, ERGO, dan ERGO/CNT murni

Pola XRD GO, ERGO, dan ERGO/CNT juga mengungkapkan reduksi elektrokimia GO menjadi ERGO setelah pencampuran dengan CNT (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b). Adapun GO, puncak tambahan pada 10,3° diamati, yang dikaitkan dengan (001) puncak difraksi GO. Jarak interlayer yang lebih besar dari nanosheet GO mungkin karena adanya gugus fungsi yang mengandung oksigen pada permukaan lembaran [30]. Setelah reduksi elektrokimia, puncak difraksi (001) GO menghilang dan puncak difraksi luas (002) kira-kira 24,3° muncul. Jarak antarlapisan ERGO adalah 0,39 nm, sedikit lebih besar dari grafit, yang dihasilkan dari sejumlah kecil gugus fungsi residu yang mengandung oksigen atau cacat struktural lainnya. Selain puncak difraksi yang lemah dan lebar (002), ERGO/CNTs juga menunjukkan puncak difraksi yang lemah pada 8,4°. Kami menyimpulkan bahwa itu berasal dari pencampuran GO dengan CNT, dan struktur pencampuran ini mengarah pada pergeseran puncak difraksi setelah reduksi elektrokimia GO.

Proses reduksi elektrokimia GO dan GO/CNT dicirikan oleh kurva CV (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4). Film GO dan film GO/CNTs direduksi secara elektrokimia pada rentang potensial dari 0 hingga 1,4 V dalam 0,5 M Na₂ JADI₄ larutan elektrolit (pH 6.0). Jelas, puncak katodik muncul di sekitar -0,75 V selama siklus pertama hasil dari eliminasi parsial gugus fungsi utama pada permukaan lembaran GO, seperti epoksi, karboksil, dan hidroksil [20]. Perlu dicatat bahwa, dibandingkan dengan film GO yang murni, proses reduksi film komposit GO/CNT lebih cepat dengan bukti bahwa film GO/CNT menunjukkan arus reaksi yang lebih besar pada siklus pertama. Selain itu, film GO/CNT mencapai arus stabil dengan siklus reaksi yang lebih sedikit, yang berarti bahwa proses reduksi GO di GO/CNT lebih cepat daripada GO murni pada kondisi elektrokimia yang sama. Kami menyimpulkan bahwa konduktivitas CNT yang tinggi meningkatkan kemampuan listrik GO/CNT, dan konduktivitas yang ditingkatkan menghasilkan transfer elektron yang lebih cepat antara elektroda dan GO/CNT, yang mengarah pada proses reduksi GO menjadi ERGO yang lebih cepat.

Reduksi elektrokimia a PERGI dan b GO/CNT (rasio massa 50:1) dalam 0,5 M Na₂ JADI₄ (pH 6.0) pada kecepatan pemindaian 50 mV/dtk

Gambar 5 menunjukkan kurva voltametri siklus ERGO dan ERGO/CNT yang direduksi secara elektrokimia dari GO/CNT dengan rasio massa yang berbeda pada 50 mV/s. Semua film disiapkan dengan metode CV pada kecepatan pemindaian 50 mV/s. Hasilnya mengungkapkan bahwa rasio pencampuran GO dan CNT dalam komposit memiliki efek yang besar pada kapasitansi spesifik elektroda komposit. Penggabungan CNT rasio permukaan-ke-volume yang tinggi meningkatkan densitas penyimpanan energi elektroda secara signifikan. Tabel 2 menunjukkan kapasitansi spesifik yang dihitung dari elektroda yang berbeda. Dari Tabel 2, kita dapat melihat kapasitansi spesifik dari elektroda komposit meningkat secara dramatis dari 156,3 menjadi 279,4 F/g dengan meningkatnya rasio massa CNT/GO, yang masuk akal untuk peningkatan luas permukaan elektroda komposit karena penambahan yang tepat dari CNT dan manfaat yang sesuai untuk mengurangi aglomerat lembar GO. Elektroda komposit yang diperkaya CNT menunjukkan kapasitansi spesifik yang jelas lebih besar daripada ERGO murni, dan hasil kapasitansi spesifik ini sangat konsisten dengan hasil pengujian CV. Namun, dibandingkan dengan rasio massa 50:1 dan 10:1, peningkatan CNT lebih lanjut tidak secara jelas meningkatkan kapasitansi spesifik, dan kapasitansi spesifik elektroda yang berkurang diamati. Kami menyimpulkan bahwa rasio massa CNT yang tinggi dalam struktur komposit menghasilkan aglomerasi CNT yang tidak terduga, yang mengarah pada interaksi CNT yang tidak memadai dengan lembaran ERGO untuk lebih meningkatkan luas permukaan komposit yang efisien. Jadi, mengontrol distribusi dan pemuatan CNT dalam matriks ERGO selama proses reduksi elektrokimia sangat penting untuk mengoptimalkan elektroda komposit dengan kapasitansi spesifik yang tinggi.

Kurva voltametri siklus ERGO dan ERGO/CNT dengan rasio massa GO/CNT yang berbeda pada 50 mV/s. (Semua film disiapkan oleh CV dengan kecepatan pemindaian 50 mV/dtk)

Sudah diketahui dengan baik bahwa kemampuan tingkat tinggi adalah indeks kunci untuk elektroda kapasitor elektrokimia. Performa kecepatan elektroda komposit ERGO/CNT ditunjukkan pada Gambar 6a. Kapasitansi spesifik dari semua elektroda komposit menunjukkan kecenderungan menurun dengan meningkatnya arus karena fakta bahwa aksesibilitas ion elektrolit ke situs aktif elektroda terbatas pada rapat arus yang lebih tinggi [20]. Distribusi CNT yang seragam ke dalam nanosheet ERGO dapat secara efektif meningkatkan kemampuan laju dibandingkan dengan elektroda ERGO murni dengan struktur aglomerat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, elektroda ERGO/CNT menunjukkan kapasitansi spesifik yang sangat baik pada rapat arus 1 A/g. Ini berarti bahwa elektroda komposit yang sangat terbuka tidak hanya mampu menghasilkan kapasitansi spesifik yang tinggi tetapi juga menjaga retensi kapasitansi yang tinggi pada kerapatan arus yang tinggi. Distribusi CNT yang seragam ke dalam lembaran ERGO masuk akal untuk kinerja tingkat tinggi dari elektroda komposit. Kurva CV film ERGO/CNT (Gbr. 6b) hampir berbentuk persegi panjang dengan meningkatnya tegangan pemindaian, yang menunjukkan perilaku kapasitif yang luar biasa dan reversibilitas yang sangat baik dari proses pengisian/pengosongan.

Kurva muatan/pengosongan galvanostatik (a ) dan pola CV (b ) dari film yang telah disiapkan dalam 0,5 M Na₂ JADI₄ (pH 6.0) (rasio massa 50:1 dan kecepatan pemindaian 50 mV/dtk)

Gambar 7 adalah plot Nyquist dari elektroda komposit yang berbeda. Terlihat bahwa elektroda komposit menunjukkan resistansi dalam (Rs) yang hampir sama dengan elektroda ERGO murni, yaitu lebih rendah dari elektroda GO. Pemuatan elektroda komposit pada CNT tidak menunjukkan pengaruh yang jelas pada elektroda Rs, menunjukkan kinerja konduktif yang sebanding dari ERGO dan CNT. Namun, penurunan yang jelas dari kapasitansi spesifik diamati dengan peningkatan rasio massa GO/CNT menjadi 10:1, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5 dan Tabel 2. Akibatnya, resistansi yang sangat baik dan kinerja kapasitansi spesifik dari elektroda komposit masuk akal dan tergantung pada pemuatan dan distribusi CNT yang dioptimalkan dalam lembar ERGO.

Plot Nyquist dari elektroda komposit yang berbeda

Kinerja laju siklus film elektroda juga merupakan faktor penting untuk aplikasi praktis dalam kapasitor elektrokimia. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8, kinerja laju ERGO/CNT (diperoleh dari rasio massa GO/CNT = 50:1) dan ERGO murni dievaluasi dengan pengisian/pengosongan pada kerapatan arus yang sama. Untuk elektroda ERGO/CNT, kapasitansi spesifik dipertahankan di atas 90% setelah 6000 siklus pada kerapatan arus pindai 1,2 A/g. Hasilnya menunjukkan kemampuan bersepeda yang baik dari elektroda komposit nanotube/nanosheet ini. Penetrasi CNT ke dalam ERGO memberikan dukungan kuat untuk aktivitas elektrokimia ERGO. Oleh karena itu, struktur nanotube/nanosheet bolak-balik memberikan kekuatan mekanik yang sangat baik untuk siklus pengisian/pengosongan jangka panjang. Juga dapat dilihat pada Gambar 8 bahwa elektroda ERGO murni juga menunjukkan kemampuan siklus yang baik hanya dengan kapasitansi spesifik yang lebih rendah, yang dihasilkan dari EDLC yang stabil dan struktur ERGO yang menggumpal. Jadi, sangat penting dan berharga untuk membangun struktur nanomaterial karbon yang sangat terbuka dan stabil untuk mendapatkan elektroda penyimpanan energi elektrokimia berkinerja tinggi dengan kapasitansi spesifik yang besar dan stabilitas tinggi.

Performa kecepatan bersepeda dari berbagai elektroda pada kepadatan arus pindai 1,2 A/g