Rangka Nanowires Nitrid Karbon Grafitis 3D Meningkatkan Fleksibilitas dan Kapasitansi Superkapasitor Padat
Abstrak
Studi ini melaporkan elektroda komposit tiga dimensi yang menggabungkan rangka nanowires nitrid karbon grafitis (g‑C3N4) dengan polimer konduktif PEDOT:PSS untuk menciptakan superkapasitor padat yang fleksibel. Dengan memanfaatkan luas permukaan tinggi jaringan nanowires, komposit melebihi PEDOT:PSS murni, mencapai kapasitansi spesifik sebesar 202 F g−1. Perangkat mempertahankan 83,5 % kapasitansi awalnya setelah 5.000 siklus pengisian‑pengosongan, menunjukkan stabilitas siklus yang luar biasa sambil mempertahankan fleksibilitas mekanis.
Latar Belakang
Penyimpanan energi wearable, terutama superkapasitor fleksibel, telah menarik minat signifikan karena kepadatan daya tinggi dan kinerja siklus yang kuat [1,2,3,4]. Material elektroda saat ini terbagi menjadi tiga kategori utama: material berbasis karbon dengan luas permukaan tinggi (misalnya, karbon aktif, grafit, serat karbon), oksida logam transisi (MO), dan polimer konduktif (CP) [5,6,7,8]. Sementara elektroda karbon menyimpan muatan melalui kapasitansi lapis ganda elektrokimia (EDLC), MO dan CP beroperasi melalui pseudokapasitansi Faradaik [9,10,11]. MO menawarkan kapasitas teoretis tinggi tetapi menderita konduktivitas buruk, toksisitas, ketidakstabilan, dan biaya; CP mengatasi banyak masalah ini namun terbatas oleh ketahanan mekanis dan siklus yang relatif rendah serta luas permukaan spesifik yang modest, yang menghambat penerapannya dalam perangkat fleksibel.
Untuk menyeimbangkan trade‑off ini, strategi komposit yang mengintegrasikan material EDLC 3D dengan mitra pseudokapasitansi MO atau CP telah muncul sebagai solusi yang menjanjikan [12,13,14]. Di antara kandidat karbon, nitrid karbon grafitis (g‑C3N4)—analog grafir dua dimensi—telah recently mendapat sorotan karena properti elektronik yang menguntungkan, biaya rendah, dan ramah lingkungan [15,16]. Meskipun g‑C3N4 telah banyak diteliti untuk fotokatalisis [17–22], potensinya dalam penyimpanan energi masih belum dieksplorasi secara luas, terutama dalam morfologi tiga dimensi [23–27]. PEDOT:PSS, polimer konduktif yang banyak digunakan, menawarkan konduktivitas tinggi dan ketahanan mekanis, namun luas permukaan yang terbatas membatasi kapasitansinya. Meningkatkan area aktif melalui rangka 3D adalah jalan yang logis ke depan.
Dalam pekerjaan ini, kami sintetis rangka nanowires g‑C3N4 (GCNW) tiga dimensi yang berfungsi sebagai tulang punggung struktural untuk PEDOT:PSS. Komposit yang dihasilkan memberikan kapasitansi spesifik sebesar 202 F g−1 dalam konfigurasi tiga elektroda dan 78 F g−1 dalam perangkat padat simetris semua, mencapai densitas energi sebesar 6,66 Wh kg−1 pada 200 W kg−1. Studi ini juga memeriksa bagaimana variasi rasio g‑C3N4 mempengaruhi morfologi dan performa elektrokimia.
Metode
Bahan
Natrium hidroksida (NaOH) dan urea diperoleh dari Beijing Chemical Corp. PEDOT:PSS (1,0 wt.% dalam H2O, grade konduktivitas tinggi) dibeli dari Sigma‑Aldrich. Tidak ada pemurnian lebih lanjut yang dilakukan.
Sintesis g‑C3N4
Urea (10 g) dikalsinasi pada 550 °C (10 °C min−1) selama 2 jam dalam tongkat mufler untuk menghasilkan bubuk g‑C3N4 kuning.
Pembuatan GCNW Tiga Dimensi
Lima ratus miligram bubuk g‑C3N4 didispersi dalam 20 mL NaOH 3 M, diaduk pada 60 °C selama 12 jam, kemudian di‑sonikasi selama 2 jam. NaOH berlebih dihilangkan melalui dialisis, dan hidrogel nanowires yang dihasilkan di‑freeze dry untuk menghasilkan aerogel yang dapat menopang diri sendiri.
Pembuatan Komposit GCNW/PEDOT:PSS Tiga Dimensi
Komposit dirakit dengan empat rasio massa GCNW terhadap PEDOT:PSS: 10 %, 20 %, 50 %, dan 80 % (6 mg mL−1 GCNW). Setelah pengadukan selama 12 jam, campuran di‑freeze dry. Film tipis PEDOT:PSS murni diproduksi melalui filtrieran untuk perbandingan.
Karakterisasi
Morfologi dan struktur diperiksa oleh mikroskopi elektron semaran emissi lapangan (FESEM, JEOL 7610), mikroskopi elektron transmisi (TEM, Tecnai F20), dan difraksi X‑ray (XRD, D‑MAX II A). Spektroskopi inframerah transform Fourier (FTIR, Nicolet‑6700) dan spektroskopi fotoelektron X‑ray (XPS, ESCALAB MK II) meneliti komposisi kimia.
Pengukuran Elektrokimia
Performa elektrokimia diukur dengan workstation CHI 660E. Dalam pengaturan tiga elektroda, foil platinum berfungsi sebagai elektroda lawan dan elektroda kalomel jenuh (SCE) sebagai referensi. Elektroda kerja dibuat dengan menekan komposit pada kain karbon (pemuatan 1 mg cm−2). Elektrolit adalah H2SO4 1 M. Volammetri siklis (CV) dan pengisian‑pengosongan galvanostatis (GCD) direkam pada 0–1 V. Spectroskopi impedansi elektrokimia (EIS) mencakup 1–105 Hz dengan gangguan 5 mV.
Perangkat simetris dirakit dengan menyetorkan 2 mg materi aktif pada setiap elektroda kain karbon, memisahkan mereka dengan hidrogel PVA/H2SO4 yang direndam pada kain non‑woven, dan kemudian menyandwich lapisan. Uji elektrokimia dilakukan pada sel dua elektroda ini.
Kapasitansi spesifik dari satu elektroda (Cm) dihitung dari data CV:
Cm = \frac{1}{U\nu}\int_{U^{-}}^{U^{+}}i(U)dU
di mana U adalah jendela tegangan dan ν adalah laju sken. Densitas energi (E) dan daya (P) diperoleh dari:
E = \frac{1}{2}CU^{2}
P = \frac{E}{\Delta t}
Hasil dan Pembahasan
Alur kerja pembuatan dan arsitektur perangkat diilustrasikan pada Gambar 1. Kandungan nanowires g‑C3N4 secara kritis menentukan rangka 3D; minimal 20 % GCNW diperlukan untuk mempertahankan rangka, sedangkan konsentrasi PEDOT:PSS yang lebih tinggi (90 %) menyebabkan struktur runtuh. Konsentrasi NaOH juga menentukan mikro‑arkitektur: <3 M gagal membersihkan lembar dengan cukup, sementara >8 M terlalu memotong nanowires dan menyebabkan aerogel runtuh. Perlakuan NaOH 3 M oleh karena itu menghasilkan rangka 3D yang paling kuat.
Prosedur eksperimental komposit material GCNW/PEDOT:PSS dan perangkat fleksibel
Gambar SEM (Gambar 2a–c) mengungkapkan transformasi dari berlapis g‑C3N4 ke nanowires dan pemeliharaan jaringan 3D dalam komposit 20 %. TEM mengonfirmasi dimensi nanowires ~10 nm lebar dan beberapa ratus nanometer panjang (Gambar 2d–e). Luas permukaan BET adalah 82,67 m2 g−1 untuk GCNW dan 69,86 m2 g−1 untuk komposit 20 %, sementara PEDOT:PSS murni menunjukkan luas permukaan yang tidak signifikan.
Karakterisasi struktur. Gambar FESEM dari g‑C3N4 (a), GCNW (b), dan komposit 20% GCNW/PEDOT:PSS (c). Gambar TEM dari g‑C3N4 (d), GCNW (e), dan komposit 20% GCNW/PEDOT:PSS (f) dengan struktur 3D
Pola XRD (Gambar 3a) menunjukkan puncak (100) dan (200) tajam dari g‑C3N4 pada 13,84° dan 27,81%, sementara fitur lebar PEDOT:PSS antara 15°–30° menunjukkan sifat amorf polimer. Spektra FTIR (Gambar 3b) mengonfirmasi cincin triazine khas (804 cm−1) dan heterosiklus C‑N (1299–1605 cm−1) dari g‑C3N4, bersama dengan tanda PEDOT:PSS. XPS (Gambar 3c–f) memverifikasi kehadiran C, N, O, S, dan Na sisa dari NaOH, mengonfirmasi bahwa komposit adalah campuran fisik tanpa ikatan kimia.
a Pola XRD dan b Spektra FT‑IR dari GCNW, PEDOT:PSS, dan komposit GCNW/PEDOT:PSS dengan berbagai rasio kandungan. c Spektra survei XPS dari GCNW 20%. Resolusi tinggi dari C 1s (d), N 1s (e), dan O 1s (f) spektra XPS dari GCNW 20%
Evaluasi elektrokimia (Gambar 4) menunjukkan bahwa komposit 20 % memberikan area CV terbesar dan waktu GCD terpanjang, mengonfirmasi kapasitansi yang unggul. Pada 5 mV s−1, kapasitansi spesifiknya adalah 202 F g−1, peningkatan sebesar 46,9 % dibandingkan dengan PEDOT:PSS murni. Komposit juga mempertahankan 83,5 % kapasitansi awalnya setelah 5.000 siklus (Gambar 5c). Performa yang ditingkatkan dikaitkan dengan rangka 3D, yang meningkatkan situs aktif dan memperpendek jalur difusi ion.
Performa elektrokimia dari GCNW, PEDOT:PSS, dan komposit GCNW/PEDOT:PSS dengan berbagai rasio kandungan GCNW dan PEDOT:PSS. a Volammogram siklis pada laju sken 10 mV s−1. b Kurva pengosongan galvanostatis pada densitas arus 1 A g−1. c Volammogram siklis dengan laju sken dari 5 mV s−1 hingga 100 mV s−1. d Kurva pengosongan galvanostatis pada berbagai densitas arus. e Kapasitansi spesifik dari GCNW, PEDOT:PSS, dan komposit 20% GCNW/PEDOT:PSS pada berbagai laju sken
Superkapasitor simetris, yang dirangka dengan komposit 20% GCNW/PEDOT:PSS pada kain karbon, menunjukkan bentuk CV persegi panjang di seluruh 0–1 V (Gambar 5a) dan ESR sebesar 5,41 Ω (Gambar 5b). Setelah 5.000 siklus pada 1 A g−1, perangkat mempertahankan 83,5 % kapasitansinya (Gambar 5c). Uji fleksibilitas mekanis menunjukkan bahwa retensi kapasitansi tetap di atas 80 % setelah 2.000 siklus membungkuk pada 90° (Additional file 1: Figure S11). Densitas energi mencapai 6,66 Wh kg−1 pada 200 W kg−1 (Gambar 5d).
a Kurva CV dari perangkat tunggal. b EIS dari perangkat. c Stabilitas siklus dari perangkat. d Densitas daya dan energi dari perangkat
Nilai tegangan superkapasitor padat fleksibel berdasarkan 20% GCNW pada berbagai sudut membungkuk (a: 0°, b: 30°, c: 60°, d: 90°)
Kesimpulan
Pertama kalinya, komposit nanowires nitrid karbon grafitis 3D/PEDOT:PSS telah diproduksi dan diterapkan sebagai elektroda untuk superkapasitor fleksibel. Komposit 20 % memberikan kapasitansi spesifik rekor sebesar 202 F g−1 dalam uji tiga elektroda dan 78 F g−1 dalam perangkat padat simetris semua, menghasilkan densitas energi sebesar 6,66 Wh kg−1. Arsitektur 3D adalah kunci dalam meningkatkan performa elektrokimia dan mempertahankan ketahanan mekanis. Dengan sintesis yang hemat biaya dan performa unggul, komposit ini menjanjikan untuk solusi penyimpanan energi fleksibel generasi berikutnya dan aplikasi komersial.
