Pengemasan In Situ One-Step Nanosheet Cu(OH)₂/Graphene Seperti Daun Kayu Cemara untuk Elektroda Superkapasitor Ultra-Stabil dan Berkinerja Tinggi
Abstrak
Hidroksida logam transisi yang digabungkan dengan graphene muncul sebagai bahan elektroda generasi berikut untuk penyimpanan energi, menawarkan kapasitas tinggi, konduktivitas yang baik, dan usia siklus yang kuat. Di sini kami menyajikan sintesis in-situ satu langkah yang mudah dari struktur nanosheet Cu(OH)₂ berbentuk daun kayu cemara yang diancarkan pada nanosheet graphene, tumbuh langsung pada busa tembaga dalam pengaturan dua elektroda. Tarik elektrostatika antara graphene yang bermuatan negatif dan Cu(OH)₂ mendorong proses pengemasan mandiri yang menghasilkan kerangka terbuka yang sangat poros. Arsitektur ini mempromosikan transportasi ion yang cepat dan mengurangi perubahan volume selama charge-discharge, menghasilkan kapasitas spesifik puncak sebesar 317 mF cm⁻² pada 1 mA cm⁻² dan stabilitas yang tak tertandingi—retensi 100 % setelah 20.000 siklus—dan kemampuan laju yang baik bahkan pada kepadatan arus tinggi.
Pendahuluan
Habisan bahan bakar fosil dan kekhawatiran lingkungan yang meningkat menuntut solusi penyimpanan energi berkelanjutan untuk elektronik dan kendaraan hybrid. Superkapasitor (SC) telah menarik perhatian berkat kepadatan daya tinggi, charge-discharge cepat, umur panjang, dan keamanan. Tiga jenis SC utama ada: pseudokapasitor, yang bergantung pada reaksi redox Faradaic cepat, dan kapasitor lapisan ganda listrik (EDLC), yang menyimpan muatan secara elektrostatis. Bahan karbon adalah elektroda EDLC tipis karena kelimpahan, toksisitas rendah, luas permukaan besar, dan konduktivitas, namun kapasitas spesifiknya relatif rendah. Hidroksida logam transisi—Ni(OH)₂, NiO, MnO₂, Co₃O₄—menawarkan pseudokapasitansi yang lebih tinggi melalui redox permukaan tetapi menderita konduktivitas buruk dan perubahan volume besar, membatasi usia siklus. Menggabungkan hidroksida ini dengan karbon konduktif, terutama graphene, dapat meningkatkan konduktivitas, menstabilkan struktur, dan meningkatkan performa secara keseluruhan. Cu(OH)₂ menonjol sebagai kandidat yang menjanjikan karena secara alami melimpah, ramah lingkungan, dan menunjukkan pasangan redox Cu²⁺/Cu⁺ yang cepat. Graphene, dengan luas permukaan luar biasa dan konduktivitas intrinsik, dapat lebih meningkatkan kapasitas dan stabilitas. Studi sebelumnya melaporkan komposit Cu(OH)₂/graphene dengan kapasitansi hingga 602 F g⁻¹ dan retensi yang baik, namun rute sintesisnya kompleks dan stabilitas siklus masih perlu ditingkatkan. Di sini kami memperkenalkan pendekatan pengemasan mandiri in-situ satu langkah yang sederhana yang menghasilkan komposit Cu(OH)₂/graphene seperti daun kayu cemara langsung pada busa tembaga, menghasilkan elektroda bebas pengikat dengan performa elektrokimia yang luar biasa.
Bagian Metode
Persiapan Sampel
Busa tembaga komersial (10 × 15 × 1,6 mm³, Xiamen Yongchangshuo) dan foil grafit (10 × 15 × 1,0 mm³, Shanghai Alfa Aesar) dibersihkan dengan mandi ultrasonik dalam etanol mutlak dan air deionisasi selama 15 menit, lalu dicuci dan dikeringkan. Sel dua elektroda terdiri dari foil grafit sebagai anoda dan busa tembaga sebagai katoda. Elektrolit adalah larutan (NH₄)₂SO₄ 0,1 M (100 mL) dengan 3 mL NH₃·H₂O. DC 7 V konstan diterapkan selama 1 jam, selama foil grafit dieksfoliasi secara elektrokimia menjadi nanosheet graphene dan busa tembaga dioksidasi menjadi Cu(OH)₂ berbentuk daun kayu cemara di bawah pengaruh NH₃. Tarik elektrostatika antara tepi graphene yang bermuatan negatif dan permukaan Cu(OH)₂ mendorong pengemasan in-situ menjadi jaringan hibrid poros, yang kemudian dikeringkan udara.
Skematis pengemasan mandiri in-situ satu langkah komposit Cu(OH)₂/graphene
Karakterisasi
Diffraksi sinar-X (XRD) dilakukan pada Rigaku Ultima IV dengan radiasi Cu Kα, memindai 10°–80° (2θ) pada 2° min⁻¹. Spektra Raman dicatat pada Renishaw Via-reflex dengan laser 532 nm. Morfologi dan struktur diperiksa dengan FESEM (Zeiss Ultra Plus) dan TEM (JEOL JEM-2100F, 200 kV). Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) menilai kimia permukaan dan status valensi.
Pengukuran Elektrokimia
Elektroda Cu(OH)₂/graphene pada busa tembaga diuji dalam sel tiga elektroda dengan referensi Ag/AgCl dan elektroda kontra Pt dalam 1 M KOH. Voltametri siklik (CV), charge-discharge galvanostatis (GCD), dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan pada PARSTAT 4000 dan LAND CT-2001A. CV dan GCD beroperasi dari 0 V hingga 0,6 V; EIS mencakup 0,01–100 kHz. Kapasitansi luas dihitung dengan C = J t / ΔV (3)
Hasil dan Pembahasan
XRD mengonfirmasi kehadiran Cu(OH)₂ kristal (JCPDS 01-080-0656) dan Cu logam dari substrat busa (JCPDS 04-0836). Puncak tajam menunjukkan kristalinitas dan keurnian fasa yang tinggi. Spektra Raman menampilkan puncak D (1349 cm⁻¹), G (1579 cm⁻¹), dan 2D (2715 cm⁻¹) khas graphene, memverifikasi eksfoliasi yang berhasil.
a Pola XRD dan b spektrum Raman komposit Cu(OH)₂/graphene
Citra FESEM menunjukkan jaringan terhubung yang sangat poros di mana nanorods Cu(OH)₂ berbentuk daun kayu cemara (~300 nm panjang, 15 nm diameter) terdistribusi seragam pada lembar graphene transparan. TEM dan SAED lebih mengonfirmasi kristalinitas kedua komponen. TEM resolusi tinggi menunjukkan goresan jaringan 0,22 nm yang sesuai dengan faceta (130) Cu(OH)₂.
Citra FESEM komposit Cu(OH)₂/graphene (perbesar rendah dan tinggi)
a Citra TEM dengan SAED dari graphene, b TEM perbesar tinggi dari cabang Cu(OH)₂, c goresan jaringan HRTEM
Spektra XPS mengonfirmasi kehadiran Cu²⁺ dalam Cu(OH)₂, grup fungsional graphene, dan CuO minor. Puncak Cu 2p pada 934,6 eV dan 954,5 ev sesuai dengan Cu²⁺; puncak C 1s pada 284,8 eV, 285,6 eV, dan 288,5 eV menunjukkan karbon sp², C-OH, dan grup C=O, masing-masing.
Spektra XPS a Cu 2p, b C 1s, dan c O 1s
Pengujian elektrokimia menunjukkan puncak redox yang berbeda dalam kurva CV, menunjukkan transisi Cu²⁺/Cu⁺ yang reversible. Kapasitansi spesifik tetap tinggi di seluruh rentang laju pemindaian yang luas, menunjukkan kemampuan laju yang baik. Pada 1 mA cm⁻², kapasitansi spesifik luas mencapai 317 mF cm⁻², dan hanya menurun menjadi 273 mF cm⁻² pada 10 mA cm⁻² (kerugian 14 %). Komposit mempertahankan 100 % kapasitansi awal setelah 20.000 siklus pada 2 mA cm⁻², dengan efisiensi coulomb secara konsisten sebesar 100 %. EIS mengungkapkan hambatan internal rendah (~2,35 Ω) dan impedansi Warburg yang menguntungkan, menunjukkan difusi ion yang efisien.
Performa elektrokimia komposit Cu(OH)₂/graphene: a kurva CV, b GCD dan kapasitansi, c kapasitansi luas & efisiensi coulomb, d plot Nyquist
Performa unggul berasal dari: (1) rak busa tembaga konduktif yang menyediakan luas permukaan tinggi dan dukungan mekanis; (2) arsitektur daun kayu cemara bebas pengikat yang meminimalkan volume mati dan hambatan internal; (3) integrasi graphene yang meningkatkan konduktivitas listrik dan menahan perubahan volume; (4) jaringan poros terbuka yang memastikan akses ion yang memadai bahkan pada laju tinggi; dan (5) stabilitas intrinsik hibrid Cu(OH)₂/graphene selama siklus panjang.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan sintesis elektrokimia satu langkah berbasis larutan yang sederhana dari struktur nanosheet Cu(OH)₂/graphene seperti daun kayu cemara langsung pada busa tembaga, menghasilkan elektroda bebas pengikat dengan performa superkapasitor luar biasa. Hibrid ini memberikan kapasitansi reversible 317 mF cm⁻², retensi 100 % setelah 20.000 siklus, dan kemampuan laju yang baik. Metode ini menawarkan rute yang dapat diskalakan untuk bahan elektroda berkinerja tinggi untuk perangkat penyimpanan energi generasi berikut.
