Pengaitan Hidrotalermal Tanpa Oksidan PEDOT Lapis Tipis pada Grafit Oksida Tereduksi untuk Superkapasitor Fleksibel Tinggi Performa

Abstrak

Kami menyajikan sintesis hidrotalermal sederhana tanpa oksidan yang menitipkan polietilendioksitiofen (PEDOT) lapis tipis secara langsung pada nanosheet grafit oksida tereduksi (rGO). Grup hidroksil dan epoksida pada grafit oksida (GO) berfungsi sebagai oksidan in-situ, memicu polimerisasi EDOT sambil secara bersamaan mengurangi GO menjadi rGO. Komposit rGO/PEDOT yang dihasilkan menunjukkan konduktivitas 88,5 S cm⁻¹ dan kapasitansi spesifik 202,7 F g⁻¹ dalam 1 M H₂SO₄. Uji elektrokimia menunjukkan >90 % retensi kapasitansi setelah 9.000 siklus dan 98 % retensi setelah 3.000 siklus lentur ketika dititipkan pada kain katun, menekankan janjinya untuk perangkat penyimpanan energi fleksibel.

Highlight Penelitian

• Grup fungsional pada GO menggerakkan pengurangan dan polimerisasi PEDOT tanpa oksidan eksternal.
• Komposit rGO/PEDOT yang dihasilkan mencapai konduktivitas dan kapasitansi spesifik tertinggi di antara komposit hidrotalermal.
• Elektroda mempertahankan stabilitas tinggi di bawah siklus panjang dan lenturan mekanis.

Pendahuluan

Polimer konduktif (CP) seperti PEDOT telah muncul sebagai material kunci untuk penyimpanan energi daya tinggi karena perilaku redoks reversibel dan konduktivitas listrik yang luar biasa. Namun, elektroda CP murni sering menderita ketahanan mekanis buruk dan konduktivitas terbatas. Hybridisasi CP dengan nanostruktur karbon—terutama turunan grafit—telah terbukti efektif dalam meningkatkan kapasitansi dan ketahanan. Metode sintesis konvensional biasanya membutuhkan oksidan kimia, yang menyulitkan pemurnian dan potensialmente memperkenalkan impuritas tersisa. Di sini kami menunjukkan rute hidrotalermal hijau tanpa oksidan yang memanfaatkan grup fungsional intrinsik GO untuk secara bersamaan menguranginya dan mempolymerisasi PEDOT, menghasilkan komposit sinergis dengan performa elektrokimia unggul.

Bahan dan Metode

Bahan

Flake grafit (Sigma-Aldrich) dikonversi menjadi GO melalui metode Hummers. Monomer EDOT (Bayer) dan semua reagensi adalah grade analitik.

Persiapan rGO/PEDOT

Sejumlah 50 µL larutan EDOT ditambahkan ke dalam 50 mL air DI, diaduk selama 2 jam. GO (1,5 g) dispersi dalam 30 mL air, diaduk selama 1 jam, dan difuse dengan kecepatan 2500 rpm. Larutan EDOT kemudian ditambahkan secara titik-titik ke dalam dispersi GO dan diaduk pada 60 °C selama 6 jam, diikuti oleh 90 °C selama 2 jam untuk menyelesaikan polimerisasi dan pengurangan. Variasi beban GO (1,5 g, 3 g, 4 g, 4,5 g) menghasilkan komposit rGO/PEDOT1–4. rGO murni disiapkan dalam kondisi identik tanpa EDOT.

Karakterisasi dan Pengujian Elektrokimia

Morfologi diperiksa dengan SEM (Hitachi S‑2400) dan TEM. UV‑Vis (Shimadzu UV‑1700), FT‑IR (ALPHA), Raman (WITec), XPS (Thermo Fisher), dan konduktivitas listrik (Empat-titik SX193) digunakan. Pengukuran elektrokimia menggunakan workstation CHI600 dengan elektrolit 1 M H₂SO₄, Pt counter, Ag/AgCl referensi. Data CV, GCD, dan EIS dikumpulkan pada suhu kamar.

Hasil dan Pembahasan

Konfirmasi Spektroskopi Polimerisasi In-Situ

Spektrum UV‑Vis menunjukkan pergeseran khas π→π* dari 225 nm (GO) ke 241 nm (rGO) dan puncak absorpsi PEDOT yang lebar (450–800 nm). Spektrum FT‑IR dan Raman mengonfirmasi penghapusan grup C–OH dan C–O–C dan munculnya getaran C–S, C–O–C, dan C=C PEDOT. XPS menunjukkan rasio C/S/O yang mengindikasikan polimerisasi yang berhasil dan retensi parsial grup fungsional yang memfasilitasi reaksi lebih lanjut.

Morfologi dan Konduktivitas

Citra SEM menunjukkan lembar rGO dengan partikel nanopartikel PEDOT yang dilapisi seragam; TEM memperkuat lapisan PEDOT tipis. Pengukuran konduktivitas menunjukkan peningkatan empat orde magnitudo dari rGO (≈0,02 S cm⁻¹) ke rGO/PEDOT (88,5 S cm⁻¹), dengan beban GO optimal pada 4 g. Konduktivitas tinggi timbul dari baik jaring grafit utuh serta cangkang PEDOT yang sangat konduktif.

Performa Elektrokimia

Kurva CV rGO/PEDOT menunjukkan puncak redoks yang diperluas dan luas yang meningkat relatif terhadap rGO, yang mencerminkan kapasitansi pseudo (PEDOT) dan kapasitansi lapis ganda (rGO) yang digabungkan. Uji GCD menunjukkan kapasitansi spesifik naik dari 120,5 F g⁻¹ (rGO) menjadi 202,7 F g⁻¹ (rGO/PEDOT3) dan mempertahankan >90 % setelah 9.000 siklus. Data EIS mengungkapkan resistensi seri (Rs) yang berkurang dan transfer muatan yang lebih cepat dalam komposit. Elektroda fleksibel yang dibuat pada kain katun mempertahankan 98 % kapasitansi awal setelah 3.000 siklus lentur bebas, yang menunjukkan ketahanan mekanis.

Wawasan Mekanisme

Selama perlakuan hidrotalermal, grup epoksida dan hidroksil GO mengoksidasi EDOT, menghasilkan radikal EDOT yang polimer menjadi PEDOT sementara GO dikurangi. Interaksi lapisan yang dihasilkan meningkatkan jalur elektron dan lekat mekanis, yang menjamin stabilitas elektrokimia yang diamati.

Kesimpulan

Kami telah mengembangkan metode hidrotalermal tanpa oksidan yang secara bersamaan mengurangi GO dan menitipkan PEDOT lapis tipis, menghasilkan nanokomposit rGO/PEDOT dengan konduktivitas 88,5 S cm⁻¹, kapasitansi 202 F g⁻¹, dan stabilitas siklus serta lenturan yang luar biasa. Temuan ini memberikan rute yang dapat diskalakan menuju elektroda superkapasitor fleksibel berkinerja tinggi.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua dataset disertakan dalam naskah utama atau berkas pendukung.