Superkapasitor Asimetrik Semi-Padat dengan Performa Tinggi Berbasis Elektroda Komposit MoS₂/MWCNT dan PANI/MWCNT
Abstrak
Dalam penelitian ini, kami melaporkan sintesis elektroda MoS₂ dan polianilin (PANI) yang dihiasi dengan nanocarbon tube multi-dinding (MWCNT) melalui rute hidrotermal yang mudah dan polimerisasi in-situ, masing-masing. Elektroda MoS₂|MWCNTs dengan rasio mol 1:1 memberikan kapasitas spesifik 255,8 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, sambil menunjukkan resistensi internal rendah dan retensi kapasitansi 91,6 % setelah 1.000 siklus. Elektroda PANI|MWCNTs mencapai 267,5 F g⁻¹ pada densitas arus yang sama dan mempertahankan 97,9 % setelah 1.000 siklus. Khi dirangka ke dalam superkapasitor asimetrik semi-padat (ASC) menggunakan elektrolit gel PVA-Na₂SO₄, perangkat memberikan kapasitas spesifik 138,1 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, densitas energi 15,09 Wh kg⁻¹ pada 2.217,95 W kg⁻¹, dan 38,9 Wh kg⁻¹ pada 382,61 W kg⁻¹. Hasil ini menunjukkan bahwa ASC MoS₂|MWCNTs/PANI|MWCNTs menawarkan kombinasi yang menjanjikan dari densitas energi tinggi, output daya, dan stabilitas siklus, menekankan potensinya untuk aplikasi penyimpanan energi generasi berikutnya.
Latar Belakang
Permintaan yang tumbuh untuk solusi energi berkelanjutan telah menyoroti kebutuhan akan perangkat penyimpanan yang andal dan berkinerja tinggi yang dapat menangani sumber energi terbaru yang tidak teratur seperti surya dan angin. Superkapasitor (SC), dikenal untuk kemampuan pengisian-pengosongan cepat dan usia siklus yang panjang, adalah kandidat ideal untuk menutupi kesenjangan ini. Namun, performanya bergantung pada kualitas bahan elektroda. Di antara banyak kandidat—grafen, nanocarbon tube, polimer konduktif, dan oksida logam—dikalkogenida logam transisi (TMD) seperti MoS₂ dan polimer konduktif seperti polianilin (PANI) telah muncul sebagai kandidat garis depan karena perilaku pseudokapasitansi dan kapasitansi teoritis tinggi.
MoS₂ menawarkan konduktivitas ion yang unggul dan kapasitas teoritis yang lebih tinggi dibandingkan grafit konvensional, namun lapisan dua dimensinya cenderung menumpuk selama siklus, membatasi luas permukaan yang dapat digunakan. Memperkenalkan kerangka MWCNT yang konduktif dan luas permukaan tinggi dapat mengatasi masalah ini, mencegah agregasi dan menyediakan jalur elektron kontinu. Sementara itu, PANI memberikan kapasitansi spesifik tinggi (500–2.200 F g⁻¹) dan properti redoks yang dapat disesuaikan, namun menderita konduktivitas dan stabilitas siklus yang buruk kecuali dikombinasikan dengan kerangka karbon konduktif.
Kemajuan terbaru dalam elektrolit semi-padat, terutama gel berbasis alkohol polivinil (PVA), telah lebih meningkatkan praktikalitas SC dengan menghilangkan risiko kebocoran dan memungkinkan arsitektur perangkat fleksibel. Berdasarkan perkembangan ini, kami memproduksi komposit MoS₂|MWCNTs dan PANI|MWCNTs, mengevaluasi perilaku elektrokimia mereka, dan mengintegrasikannya ke dalam ASC semi-padat untuk menilai performa energi dan daya.
Metode
Sintesis MoS₂|MWCNTs
MoS₂ disiapkan dengan pendekatan hidrotermal satu langkah. Natrium molibdat (0,726 g) dan tiourea (0,684 g) dilarutkan dalam 35 mL air deion, diaduk dan di sonikasi selama 30 menit. MWCNT (pemuatan yang bervariasi) ditambahkan dan di sonikasi lagi selama 30 menit. Campuran diasamkan ke pH < 1 dengan HCl 12 M, kemudian dipindahkan ke autoklave Teflon 50 mL dan dipanaskan pada 200 °C selama 24 jam. Setelah pendingin, endapan difilter, dicuci dengan etanol dan air, dan dikeringkan pada 60 °C di dalam vakum. Tiga rasio mol—MoS₂:MWCNTs 2:1, 1:1, dan 1:2—diteliti, diberi label MS2MWCNT1, MS1MWCNT1, dan MS1MWCNT2. MoS₂ murni dan MWCNTs dinotasikan MS1MWCNT0 dan MS0MWCNT1, masing-masing.
Sintesis PANI|MWCNTs
PANI|MWCNTs diproduksi dengan polimerisasi oksidatif in-situ. 18 mg MWCNT dispersi dalam 10 mL air dan di sonikasi selama 30 menit (larutan A). 0,3 mL monomer anilin dilarutkan dalam 10 mL HCl 1 M (larutan B). Persulfat kalium (0,21 g) dilarutkan dalam 10 mL HCl 1 M (larutan C). Larutan B ditambahkan ke A di bawah pengadukan, diikuti oleh penambahan tumpahan perlahan dari C hingga campuran berubah menjadi hijau gelap. Reaksi berlangsung pada suhu ruang selama >5 jam, kemudian produk dikumpulkan melalui sentrifugasi, dicuci dengan air dan etanol, dan diberi label PANI|MWCNTs.
Persiapan ASC Semi-Padat
ASC dirangka sebagai sel sandwic: katoda MoS₂|MWCNTs dan anoda PANI|MWCNTs dipisahkan oleh gel PVA-Na₂SO₄. Slurry elektroda (75 % bahan aktif, 15 % nano-grafit, 10 % PVDF) dalam NMP dicetak pada nickel busa melalui doctor blade, dikeringkan pada 60 °C selama 12 jam, kemudian direndam dalam Na₂SO₄ 0,5 M selama 12 jam. Elektrolit gel disiapkan dengan mencairkan 2 g PVA dalam air pada 90 °C, kemudian menambahkan Na₂SO₄ 0,5 M di bawah pengadukan kuat hingga jernih. Gel didinginkan dan digunakan untuk mengisi sel.
Karakterisasi dan Pengukuran Elektrokimia
SEM (JSM-7001F) menyediakan morfologi permukaan. XRD (X‘Pert Pro) dan Raman (Renishaw RW1000) menilai kristalinita. Uji elektrokimia dilakukan dalam setup tiga elektroda: lawan Pt, referensi Ag/AgCl, dan elektrolit KOH 6 M. CV, GCD, dan EIS (CHI660E) dilakukan pada 20 °C, amplitudo AC 20 mV, 0,1–10⁵ Hz. Kapasitansi spesifik dihitung menggunakan Cₛ = 4Δt/(ΔV m_ac).
Hasil dan Pembahasan
Bahan Katoda: MoS₂|MWCNTs
Citra SEM (Gambar 1) mengungkapkan nanobola MoS₂ berstruktur sarang lebah seragam (~200 nm) yang dihubungkan oleh MWCNT dalam komposit MS1MWCNT1. Jaringan MWCNT meningkatkan konduktivitas listrik dan menyediakan situs aktif tambahan, mengurangi kecenderungan restacking lembaran MoS₂.
Citra SEM nanobola MoS₂ (a, b) dan komposit MS1MWCNT1 (c, d).
Spektra Raman (Gambar 2a) menunjukkan puncak karakteristik MoS₂ pada 375 cm⁻¹ (E₂g) dan 408 cm⁻¹ (A₁g). MWCNT menampilkan pita D dan G pada 1350 cm⁻¹ dan 1580 cm⁻¹, masing-masing. Komposit mempertahankan kedua sekelompok puncak dengan geser merah sedikit, yang menunjukkan campuran intim tanpa pembentukan fase baru. Pola XRD (Gambar 2b) mengonfirmasi puncak (002) pada 14,46°, yang menunjukkan MoS₂ berlapis yang teratur dalam komposit.
Spektra Raman (a) dan pola XRD (b) dari MWCNT, MoS₂, dan MS1MWCNT1.
Pengujian elektrokimia (Gambar 3) menunjukkan bahwa elektroda MS1MWCNT1 mencapai kapasitansi spesifik tertinggi sebesar 255,8 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, mengalahkan MoS₂ murni (90,6 F g⁻¹) dan MWCNTs (30,4 F g⁻¹). Rasio mol 1:1 mengoptimalkan interaksi sinergis antara pseudokapasitansi MoS₂ dan konduktivitas MWCNTs. Pada 0,5 A g⁻¹, kapasitansi naik menjadi 266,9 F g⁻¹, sementara pada 5 A g⁻¹ tetap 203,5 F g⁻¹, menunjukkan kemampuan laju yang excelente. EIS (Gambar 3e) mengungkapkan resistensi transfer muatan 0,59 Ω, yang terendah di antara bahan yang dibandingkan, mengonfirmasi transportasi elektron yang efisien. Setelah 1.000 siklus pengisian-pengosongan, retensi kapasitansi adalah 91,6 %, menunjukkan stabilitas siklus yang kuat.
Kurva CV untuk elektroda MoS₂|MWCNTs dengan rasio mol berbeda (a); kurva CV MS1MWCNT1 pada laju penindasan yang bervariasi (b); kurva GCD pada 1 A g⁻¹ (c); GCD pada densitas arus yang berbeda (d); EIS (e); stabilitas setelah 1.000 siklus (f).
Bahan Anoda: Komposit PANI|MWCNTs
Citra SEM (Gambar 4) menunjukkan PANI yang melapisi kerangka MWCNT secara seragam, membentuk hibrid yang kuat yang menggabungkan aktivitas redoks PANI dengan konduktivitas MWCNTs. Kerangka MWCNT mencegah PANI terlarut dan meningkatkan difusi ion.
Citra SEM PANI|MWCNTs (a, b).
Spektra Raman (Gambar 5) menampilkan puncak PANI pada 1165, 1308–1347, 1468, dan 1593 cm⁻¹, mengonfirmasi polimerisasi yang berhasil. Komposit mempertahankan tanda tangan PANI dan MWCNT, menunjukkan kontak intim.
Spektra Raman dari MWCNT, PANI, dan PANI|MWCNTs.
Evaluasi elektrokimia (Gambar 6) menunjukkan jendela tegangan yang lebih luas untuk komposit relatif pada komponen individu, yang mencerminkan jalur elektron yang ditingkatkan. Pada 1 A g⁻¹, komposit memberikan 267,5 F g⁻¹, dengan kapasitansi menurun menjadi 150,8 F g⁻¹ pada 5 A g⁻¹. EIS menunjukkan resistensi transfer muatan yang lebih rendah (≈0,6 Ω) dibandingkan PANI (≈2,5 Ω) dan MWCNTs (≈1,0 Ω). Uji siklus menunjukkan retensi kapasitansi 97,9 % setelah 1.000 siklus, bukti dari stabilitas struktural yang diotor oleh jaringan MWCNT.
Kurva GCD PANI, MWCNTs, dan PANI|MWCNTs pada 1 A g⁻¹ (a); kurva CV pada laju penindasan yang bervariasi (b); GCD pada densitas arus yang berbeda (c); EIS (d); stabilitas setelah 1.000 siklus (e).
ASC Semi-Padat: MM//PM
ASC yang dirangka (Gambar 7a) beroperasi hingga 1,5 V sambil mempertahankan profil CV hampir persegi, yang mengindikasikan penyimpanan muatan yang stabil. Uji GCD (Gambar 7b) mengonfirmasi efisiensi coulombik yang tinggi di seluruh 0,5–4 A g⁻¹. EIS (Gambar 7c) menunjukkan resistensi solusi rendah (20,86 Ω) dan resistensi transfer muatan 15,49 Ω, yang diatribusikan pada jaringan MWCNT yang memfasilitasi transportasi ion/elektron. Setelah 1.000 siklus, perangkat mempertahankan 65,2 % kapasitansi awalnya (Gambar 7d), angka yang memuaskan untuk konfigurasi semi-padat.
CV pada jendela tegangan yang berbeda (a); GCD pada densitas arus yang berbeda (b); EIS (c); stabilitas setelah 1.000 siklus (d).
Plot Ragone (Gambar 8a) menunjukkan densitas energi 38,9 Wh kg⁻¹ pada 382,61 W kg⁻¹ dan 15,09 Wh kg⁻¹ pada 2.217,95 W kg⁻¹, mengonfirmasi kesesuaian ASC untuk aplikasi daya tinggi. Demonstrasi praktis (Gambar 8b) menunjukkan dua sel ASC yang disambungkan seri menyala lampu LED merah, menekankan kelayakan dunia nyata.
Densitas energi versus densitas daya (a); demonstrasi penerangan LED (b).
Kesimpulan
Kami berhasil memproduksi komposit MoS₂|MWCNTs dan PANI|MWCNTs melalui rute hidrotermal dan polimerisasi in-situ, mencapai kapasitansi spesifik 255,8 F g⁻¹ dan 267,5 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, masing-masing. Khi dirangka ke dalam ASC semi-padat dengan elektrolit gel PVA-Na₂SO₄, perangkat memberikan kapasitansi spesifik 138,1 F g⁻¹ pada 1 A g⁻¹, densitas energi 38,9 Wh kg⁻¹ pada 382,61 W kg⁻¹, dan mempertahankan 15,09 Wh kg⁻¹ pada 2.217,95 W kg⁻¹. ASC juga menunjukkan retensi kapasitansi 65,2 % setelah 1.000 siklus dan dapat menyala lampu LED merah ketika dua sel disambungkan seri. Temuan ini mengonfirmasi bahwa arsitektur MoS₂|MWCNTs/PANI|MWCNTs menawarkan platform yang efisien, tahan lama, dan praktis untuk perangkat penyimpanan energi generasi berikutnya.
