Pembuatan Film rGO/MWCNT Fleksibel Inovatif dan Hemat Biaya untuk Superkapasitor Simetrik Berkinising Tinggi
Abstrak
Di sini, kami melaporkan cara baru, sederhana, dan hemat biaya untuk sintesis film rGO dan rGO/MWCNT bebas dan konduktif yang fleksibel. Efek penambahan MWCNT terhadap performa elektrokimia film nanokomposit rGO/MWCNT diselidiki dalam beberapa elektrolit kuat basa air, seperti KOH, LiOH, dan NaOH melalui sistem tiga elektroda. Perilaku superkapasitor dari film dijalankan melalui voltametri siklik, pengisian/pengosongan galvanostatis, dan spektroskopi impedansi elektrokimia. Studi struktural dan morfologis film dilakukan melalui difraksi X-ray, spektrometer Raman, analyzer luas permukaan, analisis termogravimetrik, mikroskop elektron pemindai emissi lapangan, dan mikroskop transmisi elektron. Film rGO/MWCNT yang disintesis dengan 10 wt% MWCNT (GP10C) menunjukkan kapasitansi spesifik tinggi 200 Fg⁻¹, stabilitas siklus yang sangat baik dengan retensi 92% setelah tes siklus panjang 15.000, konstanta waktu relaksasi kecil (~194 ms), dan koefisien difusi tinggi (7,8457 × 10⁻⁹ cm² s⁻¹) dalam elektrolit KOH 2 M. Selain itu, sel koin superkapasitor simetrik dengan GP10C sebagai anode dan katoda menggunakan KOH 2 M sebagai elektrolit menunjukkan densitas energi tinggi 29,4 Whkg⁻¹ dan densitas daya 439 Wkg⁻¹ pada densitas arus 0,1 Ag⁻¹ dan stabilitas siklus yang baik dengan retensi 85% dari kapasitas awal pada 0,3 Ag⁻¹ setelah 10.000 siklus. Performa tinggi seperti itu dari film GP10C dalam superkapasitor dapat diatribusikan pada luas permukaan yang besar, radius bola hidrasi yang kecil, dan konduktivitas ion yang tinggi dari kation K⁺ dalam elektrolit KOH.
Pendahuluan
Grafen, karena properti fisik luar biasa seperti luas permukaan spesifik yang sangat tinggi, konduktivitas listrik yang luar biasa, fleksibilitas mekanis yang luar biasa, dan stabilitas kimia/termal yang tidak biasa, telah menjadi salah satu material yang paling diteliti dalam ilmu material setelah penemuannya pada 2004. Karena properti unik tersebut, grafen telah menemukan aplikasi potensial dalam nanoelektronika, penginderaan, penyimpanan energi, sel surya, dan perangkat nanomekanik. Namun, pembuatan film permukaan luas yang seragam dari grafen murni lapisan tunggal atau bilayer tidak hanya sulit tetapi juga mahal, yang menghambat aplikasi komersialnya dalam pembuatan perangkat. Oleh karena itu, peneliti menggunakan grafen oksida tereduksi (rGO), yang berasal dari reduksi kimia dan/atau termal dari grafen oksida (GO) yang hidrofilik, sebagai alternatif untuk grafen murni. Akhirnya, permintaan akan perangkat elektronik murah, andal, portabel, dan dapat dibengkokkan telah meningkat sangat pesat. Dalam hal ini, perangkat penyimpanan energi fleksibel (superkapasitor dan baterai Li-ion) telah menjadi pusat perhatian komunitas ilmiah dunia karena tujuannya untuk diintegrasikan dalam perangkat elektronik fleksibel. Dalam hal ini, material yang dapat dengan mudah diubah menjadi bentuk kertas bebas sangat diinginkan. Oleh karena itu, ketika mencari material yang dapat dibengkokkan yang memiliki stabilitas mekanis dan kimia yang baik, konduktivitas listrik yang luar biasa, dan mudah diubah menjadi film tipis permukaan luas, rGO ditemukan sebagai kandidat yang sangat menjanjikan dan menguntungkan. Terdapat dua pendekatan untuk menyiapkan film kertas rGO bebas atau selaput. Pendekatan pertama melibatkan filtrasi langsung dispersi rGO melalui kertas filter tertentu. Pendekatan kedua dimulai dengan sintesis bubuk GO dan diselesaikan dengan reduksi kertas GO menjadi kertas rGO menggunakan agen redusen atau melalui pemanasan dalam lingkungan iners/reduksi. Berbagai teknik telah dilaporkan untuk sintesis kertas rGO fleksibel bebas. Xiao et al. membuat kertas rGO dengan teknik cetakan diikuti oleh metode delaminasi gelembung CO₂ dan kertas yang dihasilkan menunjukkan kapasitansi spesifik 55 Fg⁻¹ pada 1 Ag⁻¹. Rath et al. menyintesis kertas rGO melalui filtriks vakum suspensi GO dan kemudian reduksi menggunakan asam hidriod (HI) (55%) dan memperoleh kapasitansi spesifik (SC) sekitar 80 Fg⁻¹ pada 0,5 Ag⁻¹. Li et al. mendokumentasikan SC sebesar 130 Fg⁻¹ pada 0,1 Ag⁻¹ untuk kertas rGO yang disiapkan oleh filtriks vakum suspensi GO air diikuti oleh reduksi melalui bubuk Zn dalam larutan ammonia. Lebih lanjut, Hu et al. menyintesis kertas rGO melalui filtriks vakum dispersi GO air dan kemudian reduksi elektrokimia. Mereka melaporkan SC sebesar 106 F cm⁻³ pada laju sken 1 mV s⁻¹. Berdasarkan bukti literatur, telah disimpulkan bahwa interaksi π-π dan interaksi Van der Waals yang kuat antara bidang dasar menyebabkan restumping dan agregasi lembar rGO, yang mengakibatkan pengurangan luas permukaan dan performa elektrokimia yang buruk dari kertas rGO.
Dalam studi ini, kami melaporkan cara baru, mudah, dan hemat biaya untuk sintesis film rGO konduktif fleksibel dengan nanowhitubus multi-dinding (MWCNT) yang tersisipkan di antara lembar rGO. Kami menunjukkan bahwa penggunaan jumlah MWCNT yang tepat untuk membentuk film nanokomposit rGO/MWCNT dapat secara efektif mencegah restumping lembar rGO, sehingga meningkatkan performa elektrokimia film. Jumlah HI yang optimal, diikuti oleh pemanasan pada 250 °C dalam lingkungan reduksi (3% H₂ + 97% N₂) selama 2 jam, digunakan untuk reduksi GO/MWCNT menjadi film rGO/MWCNT. Ketebalan film dapat dengan mudah dikontrol hanya dengan menyesuaikan volume dispersi GO yang digunakan dalam sintesis film rGO dan rGO/MWCNT. Kami memeriksa performa elektrokimia film nanokomposit rGO/MWCNT fleksibel yang dibuat dengan berbagai wt% (0, 5, 10, dan 15) MWCNT. Hasil menunjukkan bahwa film rGO/MWCNT yang disintesis dengan 10 wt% MWCNT menunjukkan kapasitansi spesifik yang sangat baik sebesar 200 Fg⁻¹ pada 0,25 Ag⁻¹ dalam elektrolit air KOH 2 M, lebih tinggi dari beberapa nilai yang dilaporkan sebelumnya. Film nanokomposit bebas yang dioptimalkan kemudian digunakan sebagai anode dan katoda untuk merancang perangkat superkapasitor simetrik yang menunjukkan densitas energi tinggi sebesar 29,4 Whkg⁻¹ dan stabilitas yang baik dengan retensi 85% setelah 10.000 siklus dalam elektrolit air KOH 2 M.
Metode
Bahan
Semua kimia yang digunakan dalam studi ini adalah kelas analitis murni. Bubuk grafit alami (No. 15553, Riedel-de Haen), MWCNT (Ctube-120, panjang 5–20 μm) diterima (CNT Co., Ltd., Korea Selatan). Asam hidriod (57% w/w larutan air) dibeli dari Alfa Aesar. Alkohol polivinil (PVA, MW 89.000~98.000) dibeli dari Perusahaan Sigma-Aldrich. Semua dispersi dan larutan disiapkan dalam air DI dengan resistivitas setidaknya 18 MΩ cm pada 25 °C, yang diperoleh dari sistem pemurnian air Milli-Q (Milli-Q, AS).
Persiapan Grafen Oksida
Material prekurzor, grafen oksida (GO) disintesis oleh oksidasi kimia kuat dari bubuk grafit dalam campuran (9:1) H₂SO₄ dan H₃PO₄. Produk yang diperoleh (flakes GO) dikeringkan vakum pada 45 °C untuk menghilangkan kelembaban.
Pemurnian MWCNT
Sebelum penggunaan, MWCNT yang tersedia secara komersial (luas permukaan spesifik, 40–300 m² g⁻¹; panjang, 5–20 mm) direfluks dalam larutan asam nitrat 70% pada 90 °C selama 24 jam. Setelah refluks, campuran yang dihasilkan difilter melalui filter membran nylon (0,45 mm) dan dicuci dengan jumlah berlebih air DI hingga pH menjadi netral. Padatan yang difilter dikeringkan dalam oven pada 100 °C selama 24 jam untuk mendapatkan MWCNT yang dipurnikan dan difungsionalkan.
Sintesis dan Pembuatan Film rGO/MWCNT Bebas Fleksibel
Untuk sintesis film rGO/MWCNT, jumlah GO flakes yang dihitung dispersi dengan baik dalam air DI melalui sonikasi intens untuk mempersiapkan dispersi GO homogen sebesar 8 mg/mL. Setelah itu, 0, 5, 10, dan 15 wt% MWCNT dicampur dengan jumlah yang dioptimalkan (20 mL) dispersi GO secara terpisah melalui ~1 jam sonikasi intens. Jumlah HI yang optimal, sebagai agen redusen, ditambahkan ke dalam campuran GO-MWCNT di atas secara titik-titik. Campuran yang dihasilkan dituangkan ke dalam petri dish dengan diameter sekitar 9,5 cm dan dikeringkan dalam aliran udara. Film rGO/MWCNT yang kering dapat dengan mudah dilepaskan dari petri dish dalam kehadiran etanol. Dengan demikian, film rGO/MWCNT bebas yang diperoleh dicuci beberapa kali dengan etanol untuk menghilangkan larutan HI yang tidak bereaksi/bersisa dan lagi dikeringkan di udara pada 35 °C selama 12 jam. Akhirnya, film bebas yang kering di udara dianil pada 250 °C dalam lingkungan reduksi (3% H₂ + 97% N₂) selama 2 jam. Skema seluruh proses sintesis diilustrasikan pada Gambar 1. Film rGO/MWCNT yang dibuat dengan jumlah MWCNT yang berbeda, 0, 5, 10, dan 15 wt%, masing-masing disebut GP, GP5C, GP10C, dan GP15C.
Skema sintesis rGO, kertas rGO/CNT, dan proses pembuatan elektroda
Pembuatan Elektroda rGO/MWCNT
Elektroda kerja dari film rGO/MWCNT untuk pengujian elektrokimia disiapkan dengan menekan potong (1 × 1 cm²) dari film yang dibuat onto Ni foam dengan tekanan seragam ~10 mPa selama 2 menit. Berat material aktif yang dimuat pada substrat Ni foam, seperti diukur oleh mikro nirkabi (PRECISA XR125M-FR) dengan akurasi ~0,1 μg, adalah ~1,1 mg. Proses sintesis dan pembuatan elektroda ditunjukkan pada Gambar 1.
Pembuatan Sel Koin Simetrik Berbasis Film GP10C dan Perangkat Fleksibel Semua Padat
Elektroda berbasis GP10C berhasil dirancang dalam konfigurasi sel koin dua elektroda menggunakan elektrolit KOH 2 M. Singkatnya, dua elektroda GP10C lingkaran dengan berat yang sama dicetak dalam rangkaian sel koin CR2032. Di sini, untuk mencegah kontak langsung antara elektroda kerja, pemisah (mikroserat kaca, Whatman™) disisipkan di antara mereka. Massa total material aktif dalam perangkat adalah ~3,5 mg. Lebih lanjut untuk melihat kompatibilitas material elektroda GP10C dalam perangkat fleksibel, perangkat simetrik semua padat fleksibel (FSSSD) dirancang menggunakan elektrolit gel polimer PVA-KOH. Untuk persiapan FSSSD, 1 g PVA dilarutkan dalam 5 mL air DI pada 85 °C dan diaduk selama 1 jam hingga larutan menjadi transparan, setelah itu, 1 g larutan KOH 2 M ditambahkan ke dalam larutan di atas. Akhirnya, campuran dibiarkan selama 3 jam dengan pengadukan berkelanjutan untuk mendapatkan bentuk gel quasi-padat. Untuk pemasangan perangkat, dua potong (1 × 2 cm²) elektroda GP10C dengan berat yang sama dilekatkan pada kain stainless steel fleksibel, yang mencegah elektroda dari kerugian mekanis dan memberikan dukungan untuk kontak eksternal. Keduanya elektroda kerja dilapisi secara seragam dengan elektrolit gel quasi-padat. Untuk mendapatkan lapisan gel padat yang tepat, keduanya elektroda kerja dikeringkan di udara di kap asap untuk menghilangkan kelebihan air, disandwich bersama-sama muka ke muka, dan akhirnya dibungkus dengan pita perekat.
Karakterisasi Fisiko-Kimia dan Pengukuran Elektrokimia
Film rGO/MWCNT yang disiapkan diperiksa dengan hati-hati melalui difraktometer X-ray (XRD, BRUKER D2 PHASER) yang dilengkapi dengan iradiasi CuKα (λ = 1,54184 Å, 10 mA dan 30 kV), dan mikroskop elektron pemindai emissi lapangan (FE-SEM, Hitachi SU8010) untuk melakukan analisis kristalin dan morfologi permukaan, masing-masing. Pengukuran spektral Raman dilakukan menggunakan laser Ar 514,5 nm, 40 mW (Horiba Jobin Yvon Labarm HR 800). Analyzer luas permukaan Brunauer-Emmett-Teller (BET, ASAP 2020) digunakan untuk mengidentifikasi luas permukaan spesifik. Analisis termogravimetrik (TGA) dilakukan dari 30 hingga 900 °C dengan laju pemanasan 3 °C min⁻¹ di bawah lingkungan N₂ menggunakan analizer termogravimetrik (TGA, TA Instruments Q500). Resistensi Ohmik dari film yang disintesis diukur melalui metode empat titik (NAPSON RT-7), dan konduktivitas listrik dihitung menggunakan persamaan berikut:
σ = l / (Rs × A) (1)
di mana σ, l, A, dan Rs, masing-masing mewakili konduktivitas listrik, ketebalan, luas penampang, dan resistensi Ohmik dari film yang disintesis seperti diukur melalui instrumen empat titik. Properti elektrokimia elektroda film rGO/MWCNT diselidiki melalui voltametri siklik (CV), pengisian/pengosongan galvanostatis (GCD), dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) menggunakan analyzer elektrokimia CHI instrument 616B pada suhu ruangan. Konfigurasi tiga elektroda, yang berisi elektroda referensi kalomel jenuh (SCE), lembar platina sebagai elektroda kontra, dan film rGO/MWCNT sebagai elektroda kerja digunakan untuk pengukuran ini dalam elektrolit KOH, LiOH, dan NaOH. SC (Cs) dari kurva GCD dihitung menggunakan persamaan berikut:
C = I Δt / (m ΔV) (2)
di mana I adalah arus pengosongan, Δt adalah waktu untuk pengosongan penuh, m adalah massa material elektroda aktif, dan ΔV mewakili lebar jendela potensial untuk pengosongan penuh.
Hasil spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) diperoleh dengan menerapkan amplitudo ac sebesar 5 mV dalam rentang frekuensi dari 0,1 Hz hingga 100 KHz dan mengukur amplitudo serta geser fase dari arus yang dihasilkan. Secara ideal, sebuah superkapasitor dapat dilambangkan oleh rangkaian sederhana yang terdiri dari resistor yang beruntun dengan kapasitor. Di sini, resistor dan kapasitor mewakili resistensi seri ekivalen (ESR) dan kapasitansi perangkat, masing-masing. Impedansi bersih dari rangkaian ini dapat dinyatakan sebagai;
Z_RC = R + 1/ jωC (3)
di mana, ω = 2πf dan f = frekuensi dalam Hz. Persamaan (3) menunjukkan bahwa pada nilai frekuensi yang lebih tinggi, istilah ESR mendominasi, sedangkan pada nilai frekuensi yang lebih rendah, istilah kapasitif menjadi lebih efektif, dan sistem mulai berperilaku seperti kapasitor murni. Lebih lanjut, analisis data EIS menyediakan karakteristik bergantung frekuensi dari material elektroda superkapasitor dalam hal daya kompleks seperti yang diberikan di bawah:
S(ω) = P(ω) + iQ(ω) (4)
di mana P(ω), komponen nyata dari daya, didefinisikan sebagai daya aktif (watt), dan Q(ω), yaitu komponen imajiner dari daya, disebut sebagai daya reaktif (volt-ampere-reaktif, VAR).
P(ω) dan Q(ω) dapat dituliskan sebagai berikut:
P(ω) = [ΔV²_rms / |Z(ω)|].cos φ (5)
Q(ω) = [ΔV²_rms / |Z(ω)|].sin φ (6)
Persamaan di atas (4)–(6) dapat langsung digunakan untuk menemukan nilai daya dari superkapasitor.
σ = RT / (n²F²A√2) × (1 / (C*√D)) (7)
di mana T adalah suhu mutlak, n adalah jumlah transfer muatan, R mewakili konstanta gas, C* adalah konsentrasi elektrolit, dan A mewakili luas elektroda kerja.
Hasil dan Pembahasan
Kami menyintesis film nanokomposit berbasis rGO/MWCNT melalui rute kimia satu tahap yang efisien. Secara umum, nanokomposit berbasis rGO dikenal baik sebagai material penyimpanan energi. Selain itu, seperti yang dilaporkan dalam literatur, MWCNT digunakan untuk membentuk saluran konduktif di dalam material [31]. Oleh karena itu, kami mempelajari efek penggabungan MWCNT terhadap performa elektrokimia film rGO bebas yang bersifat fleksibel. Kami mengamati bahwa jumlah HI (agen redusen) sangat penting untuk mendapatkan film rGO/MWCNT bebas yang konduktif dan berkelanjutan. Sebanyak sedikit lebih dari nilai optimal akan menghasilkan retakan dalam film karena kelebihan HI menyebabkan lebih banyak I₂ yang dilepaskan (HI + H₂O → H₃O⁺ + I⁻, dan 2I⁻ = I₂ + 2e⁻), yang akan menyebabkan retakan dalam film seperti ditunjukkan pada Gambar 2.
a Film rGO/MWCNT yang retak, b film seragam, c film seragam yang dilepaskan dari petri dish, dan d–f film bebas yang dicuci dan dianil
Karakterisasi Struktural dan Morfologis
Pola XRD dari GO, film rGO, MWCNT, dan GP10C ditunjukkan pada Gambar 3a. Karakterisasi komprehensif XRD mewakili deoksigenasi dari film yang disiapkan. Pola XRD dari film GO menunjukkan bahwa puncak difraksi tajam pada 2θ = 10,4°, yang sesuai dengan difraksi karakteristik (001) GO. Ini menunjukkan jarak antar lapisan (d = 0,8465 nm) GO yang lebih besar daripada grafit (~0,34 nm) karena pengenalan grup fungsional yang mengandung oksigen (misalnya, grup epoksi dan hidroksil) yang menempel pada permukaan lembar GO dan kehadiran lapisan molekul tunggal dari molekul air yang tersisipkan di antara lembar [32,33,34]. Dalam hal rGO, MWCNT, dan sampel GP10C, puncak difraksi muncul pada 2θ = 26,24°, 25,49°, dan 25°, masing-masing. Reduksi yang berhasil dari grafen oksida terlihat dari penyusutan yang signifikan jarak antar lapisan dalam rGO (~0,3475 nm) dan GP10C (~0,36 nm), yang diatribusikan pada penghancuran grup fungsional yang mengandung oksigen. Analisis Raman dari film rGO/MWCNT (Gambar 3b) dilakukan untuk menjelajahi lebih lanjut struktur GO, rGO, MWCNT, dan GP10C melalui puncak G dan D yang khas yang terkait dengan cacat dan ketidakteraturan, masing-masing. Untuk mengamati cacat yang ada dalam material terkait grafen, rasio intensitas (I_D/I_G) untuk puncak D (pada 1350 cm⁻¹) dan puncak G (pada 1590 cm⁻¹) umumnya digunakan [35]. Rasio I_D/I_G meningkat dari 0,9685 untuk film GO menjadi 1,2123, 1,0807, dan 1,1649 untuk kertas rGO, MWCNT, dan GP10C, masing-masing, yang menunjukkan lebih banyak cacat dalam film rGO, MWCNT, dan GP10C dibandingkan film GO murni. Peningkatan cacat mungkin disebabkan oleh disintegrasi lembar grafen menjadi domain grafan sp² yang lebih kecil dan kehilangan atom karbon yang diinduksi oleh dekomposisi grup fungsional yang mengandung oksigen [36]. Nilai rasio I_D/I_G untuk film GP10C lebih kecil (1,1649) daripada film rGO (1,2123) yang dapat diatribusikan pada peningkatan domain sp² yang disebabkan oleh perkenalan nanowhitubus karbon [37]. Isoterm adsorption-desorpsi N₂ dari film rGO dan GP10C setelah menerapkan tekanan seragam 10,0 MPa selama 5 menit ditunjukkan pada Gambar 3c. Luas permukaan spesifik BET yang dihitung untuk GP10C (0,9869 m²/g) ditemukan lebih dari 4 kali lebih tinggi daripada film rGO (0,2229 m²/g). Luas permukaan spesifik yang lebih tinggi memprediksi ketersediaan lebih banyak area antarmuka antara ion elektrolit dan material aktif elektroda dan mungkin memberikan performa elektrokimia yang lebih baik [38]. Luas permukaan spesifik yang lebih tinggi dapat diatribusikan pada MWCNT yang tersisipkan di antara lapisan rGO, yang mencegah restumping lembar rGO saat menerapkan tekanan eksternal. Untuk menyelidiki stabilitas termal, TGA dari film yang disintesis dilakukan dalam lingkungan N₂ dengan laju pemanasan 3 °C min⁻¹ dari 30 hingga 900 °C (Gambar 3d). Dalam grafik TGA, penurunan bobot 3,2% dari 30 hingga 255 °C terkait dengan penguapan air yang terserap permukaan dan penghapusan molekul air antar lapisan [39]. Penurunan bobot sekitar 18,6% dalam rentang 302 hingga 810 °C dapat diatribusikan pada dekomposisi grup fungsional hidrofilik yang melekat pada rGO dan MWCNT selama proses pemurnian dan sintesis dan terkait dengan dekomposisi termal dari grafen tereduksi dan nanowhitubus karbon [40]. Kami mengamati bahwa stabilitas termal film GP10C lebih baik daripada film rGO murni, yang dapat sepenuhnya diatribusikan pada kehadiran MWCNT dalam GP10C bebas.
Pola XRD dari GO, kertas rGO, MWCNT, dan film GP10C. a, b Evolusi spektral Raman dari pita D dan G, c Analisis BET dari rGO, film rGO/CNT, dan d Kurva TGA dari film rGO, MWCNT, dan film GP10C
Mikrograf FESEM dari film rGO dan rGO/MWCNT ditunjukkan pada Gambar 4. Pemeriksaan potongan lintang (Gambar 4a) mengungkapkan bahwa lembar rGO tersusun dan restump di atas yang lain dalam film rGO. Kami mengamati kehadiran beberapa kantong udara di antara lapisan rGO, yang timbul dari pembebasan oksigen dan spesies gas lainnya selama proses reduksi dan penganilan. Kantong udara ini mengurangi konduktivitas listrik dan sehingga performa elektrokimia film bebas [41]. Kami mengamati dengan penambahan MWCNT dalam film (Gambar 4b–d), lapisan rGO menjadi lebih tersusun dengan kantong udara yang lebih sedikit karena MWCNT bertindak sebagai pengisi dan menyediakan jalur alternatif untuk spesies gas untuk keluar dari film.
Citra FESEM potongan lintang dari a film rGO, dengan beban MWCNT yang berbeda b 5 wt.%, c 10 wt.%, dan d 15 wt.%
Pengukuran Konduktivitas Listrik
Konduktivitas listrik adalah parameter yang sangat penting untuk menyelidiki performa elektrokimia film rGO dan rGO/MWCNT yang disiapkan. Pengukuran listrik dari GP, GP5C, GP10C, dan GP15C dengan ketebalan sekitar 0,01, 0,015, 0,014, dan 0,0165 mm, masing-masing, dilakukan melalui instrumen empat titik dan resistensi Ohmik yang diukur dari GP, GP5C, GP10C, dan GP15C ditemukan sebesar 2,94, 2,71, 1,93, dan 2,66 mΩ/sq., masing-masing (Gambar 5a). Gambar 5b menggambarkan nilai konduktivitas listrik yang dihitung oleh Eq. (1) untuk GP, GP5C, GP10C, dan GP15C sebesar 41,7 × 10⁻², 51,4 × 10⁻², 82,9 × 10⁻², dan 62,9 × 10⁻² S cm⁻¹, masing-masing. Konduktivitas listrik film meningkat dengan peningkatan rasio MWCNT dari 0 hingga 10 wt%. Ini dapat diatribusikan pada kehadiran jaringan konduktif yang dibentuk oleh MWCNT dalam film. Penambahan MWCNT pada film rGO memungkinkan pembentukan jaringan 3D, yang bekerja sebagai saluran konduktif untuk transportasi muatan di dalam film dan sehingga meningkatkan konduktivitasnya. Seiring peningkatan beban MWCNT dalam rGO, penyusunan MWCNT menjadi kurang terjamin (Gambar 4b–d). Pada konsentrasi MWCNT yang lebih tinggi (15 wt%), kecenderungan agregasi MWCNT di antara lapisan rGO menjadi efektif yang mengurangi pembentukan jaringan konduktif MWCNT di seluruh film, dan sehingga nilai konduktivitas listrik menurun [42]. Ini disebabkan secara dasar oleh efek peningkatan resistensi kontak [43, 44]. Di antara berbagai film yang disintesis, GP10C menunjukkan nilai resistensi Ohmik yang lebih rendah (1,93 mΩ/sq.) dengan konduktivitas listrik yang lebih tinggi sebesar 82,9 × 10⁻² S cm⁻¹. Peningkatan konduktivitas listrik GP10C adalah hasil dari kopling π-π yang kuat antara rGO dan MWCNT yang meningkatkan delokalisasi karir muatan yang lebih bergerak di antara densitas elektronik keduanya [45].
a Resistensi Ohmik dari kertas rGO dan rGO/MWCNT dengan konten MWCNT 5, 10, dan 15 wt.%, dan b konduktivitas listrik yang sama
Performa Elektrokimia Film GP10C dalam Berbagai Elektrolit Basa
Pengukuran properti elektrokimia film GP10C dilakukan dalam elektrolit air melalui CV, GCD, dan EIS pada suhu ruangan. Elektrolit adalah salah satu faktor paling penting yang sangat mempengaruhi properti elektrokimia superkapasitor. Oleh karena itu, untuk menemukan elektrolit basa yang paling sesuai untuk elektroda film, kami menyelidiki performa elektrokimia elektroda GP10C dalam tiga elektrolit basa yang paling umum digunakan, yaitu KOH, NaOH, dan LiOH, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 6. Untuk berbagai elektrolit, kurva CV memegang area yang berbeda (Gambar 6a). Secara menonjol, kurva CV GP10C hampir berbentuk persegi panjang dan memegang area yang lebih besar dalam KOH dibandingkan dengan NaOH dan LiOH ketika diukur pada laju sken 50 mVs⁻¹. Pada Gambar 6b, kurva GCD GP10C pada densitas arus 3 Ag⁻¹ menunjukkan waktu pengosongan yang lebih lama dalam KOH dibandingkan dengan elektrolit NaOH dan LiOH. Hal ini jelas dari Eq. (2) bahwa semakin lama waktu pengosongan (Δt), semakin tinggi SC akan menjadi. Oleh karena itu, kami memperoleh SC yang lebih tinggi dalam KOH 2 M dibandingkan dengan elektrolit LiOH dan NaOH 2 M (Gambar 6c). Ketidaksimetrian yang diamati pada kurva GCD (Gambar 6b) timbul karena terjadinya beberapa reaksi faradaik pada permukaan film komposit. Fenomena ini dapat diatribusikan pada grup fungsional yang mengandung oksigen yang melekat pada lembar rGO dan MWCNT yang difungsionalkan. EIS terutama digunakan untuk mengevaluasi performa elektrokimia film dalam hal transfer ion dan konduktivitas listrik. Plot Nyquist GP10C dalam berbagai elektrolit diperiksa dalam rentang frekuensi dari 0,1 Hz hingga 100 KHz dengan amplitudo ac 5 mV (Gambar 6d). Plot Nyquist GP10C dasarnya memiliki dua komponen utama (bagian nyata Z′ dan bagian imajiner Z″) yang mewakili bidang kompleks di mana Z′ menunjukkan perilaku Ohmik; di sisi lain, Z″ menunjukkan perilaku kapasitif dari elektroda film. Ini dapat dijelaskan secara teoretis melalui tiga wilayah bergantung frekuensi, yaitu, wilayah frekuensi tinggi (impidenz busur), wilayah frekuensi rendah, dan wilayah frekuensi menengah (impedansi Warburg).
Performa elektrokimia film GP10C dalam elektrolit air KOH, LiOH, dan NaOH yang berbeda 2 M, a kurva CV pada 50 mVs⁻¹, b kurva GCD pada 3 Ag⁻¹, c SC seperti yang dihitung dari kurva GCD, dan d plot Nyquist dalam berbagai elektrolit dengan inses yang menunjukkan wilayah diperbesar
Superkapasitor bekerja seperti resistor murni pada rentang frekuensi yang lebih tinggi, sedangkan pada frekuensi yang lebih rendah, peningkatan tajam dalam bagian imajiner dan garis hampir vertikal diamati, yang menunjukkan perilaku kapasitif murni. Wilayah frekuensi menengah mewakili interaksi antara ion elektrolit dan situs aktif poros elektroda film. Lebih lanjut, dalam EIS, resistensi ionik elektrolit, resistensi internal kolektor arus dan material aktif, dan resistensi kontak antarmuka elektroda-kolektor arus memainkan peran kunci untuk menemukan resistensi seri efektif (ESR) atau resistensi larutan (Rs). Pada wilayah frekuensi tinggi dari kurva Nyquist, ESR dapat diamati oleh nilai titik di mana kurva memotong sumbu nyata. Nilai Rs ditemukan lebih kecil (~1,1 Ω) untuk KOH daripada yang diukur untuk NaOH (~1,6 Ω) dan LiOH (~1,9 Ω). juga layak untuk disebutkan bahwa diameter busur semikling dalam wilayah frekuensi tinggi dan panjang garis miring dengan sudut 45° dalam wilayah frekuensi menengah adalah perwakilan resistensi difusi dan resistensi Warburg, masing-masing. Dalam hal ini, GP10C menunjukkan resistensi difusi dan resistensi Warburg yang lebih kecil dalam KOH, dibandingkan dengan LiOH dan NaOH [46, 47]. Performa yang luar biasa dari elektroda GP10C dalam KOH mungkin dikaitkan dengan radius ion yang lebih kecil dan konduktivitas ionik yang lebih tinggi dari ion K⁺ (64,3 Ohm⁻¹ cm² mol⁻¹) dibandingkan dengan ion Na⁺ (43,5 Ohm⁻¹ cm² mol⁻¹) dan Li⁺ (33,5 Ohm⁻¹ cm² mol⁻¹). Di sisi lain, mobilitas ion yang ditingkatkan oleh radius ion yang lebih kecil dari ion K⁺ mendapatkan akses ke permukaan elektroda, sehingga meningkatkan performa elektrokimia elektroda GP10C [48, 49]. Penjelasan sederhana tentang ion K⁺, Na⁺, dan Li⁺ dengan radius ion yang tersembunyi, 232, 276, dan 340 pm, masing-masing, ditunjukkan pada Gambar 7. Daripada faktor luar, radius ion sebenarnya ditemukan berbanding terbalik dengan gaya Coulomb dalam persamaan F = KQ₁Q₂/r², di mana F adalah gaya Coulomb, r adalah jarak antara dua muatan (Q₁ dan Q₂), dan K adalah konstanta Coulomb. Radius ion mengikuti urutan rK+ (= 138 pm) > rNa⁺ (= 102 pm) > rLi⁺ (= 76 pm), sehingga gaya Coulomb mengikuti urutan K⁺ < Na⁺ < Li⁺. Gaya Coulomb yang lebih besar akan bersatu dengan sejumlah besar molekul air, sehingga membuat radius ion yang tersembunyi lebih besar [50, 51], oleh karena itu, ion K⁺ memiliki radius ion yang lebih kecil. Berdasarkan hasil dan pembahasan di atas, elektrolit air KOH ditemukan sebagai elektrolit yang paling sesuai di antara tiga elektrolit yang diteliti untuk elektroda film rGO/MWCNT.
Diagram skematis radius ion yang tersembunyi dari ion yang terkait dengan berbagai elektrolit yang digunakan untuk pengukuran elektroda GP10C
Performa Elektrokimia Film rGO/MWCNT
Kami juga menyelidiki efek penambahan MWCNT terhadap performa elektrokimia film rGO/MWCNT dalam pengaturan tiga elektroda dengan elektrolit KOH 2 M. Gambar 8a menggambarkan kurva CV dari elektroda film rGO, GP5C, GP10C, dan GP15C yang disintesis direkam pada laju sken 50 mVs⁻¹ dalam rentang potensial −0,9 hingga 0,0 V. Secara jelas, dibandingkan dengan GP, GP5C, dan GP15C, kurva CV GP10C memegang area yang lebih besar, dan termasuk bentuk hampir persegi panjang, yang menunjukkan perilaku kapasitif lapis ganda (EDL) dari elektroda ini dengan nilai SC yang lebih tinggi [52]. Gambar 8b mewakili kurva GCD dari semua film direkam pada 1 Ag⁻¹ dalam rentang potensial −0,9 hingga 0,0 V. Selain itu, mirip dengan hasil CV, kurva pengisian/pengosongan yang hampir berbentuk segitiga juga memverifikasi perilaku kapasitor lapis ganda (EDLC) dari elektroda film. Di sini, jelas bahwa GP10C memiliki waktu pengosongan (∆t) yang jauh lebih lama, dan hence SC yang lebih tinggi di antara film yang disintesis. Nilai CV yang dihitung dari kurva GCD menggunakan Eq. (2) sebagai fungsi dari densitas arus pengosongan ditunjukkan pada Gambar 8c. GP10C menunjukkan kapasitansi spesifik sebesar 200, 161, 147, 137, 134, 123, 120, dan 114 Fg⁻¹ pada 0,25, 0,5, 1, 2, 3, 5, 7, dan 10 Ag⁻¹, masing-masing, dan mampu mempertahankan ~57% dari nilai kapasitansi awalnya (200 Fg⁻¹) dari 0,25 hingga 10 Ag⁻¹. Kapasitansi spesifik rGO meningkat secara signifikan setelah penambahan MWCNT, yang jelas dari performa elektrokimia sampel GP5C dan GP10C. Performa elektrokimia yang ditingkatkan dari komposit dapat diatribusikan pada fakta bahwa CNT mencegah restumping lembar rGO dan sehingga memfasilitasi ion elektrolit untuk bergerak lebih dalam ke dalam sampel film. Seiring peningkatan jumlah CNT di atas nilai optimal, kapasitansi spesifik menurun, yang dapat diatribusikan pada dispersibilitas yang terbatas dan kapasitansi spesifik (~20 F/g) MWCNT [53, 54].
Performa elektrokimia elektroda rGO, GP5C, GP10C, dan GP15C dalam elektrolit KOH 2 M, a kurva CV pada laju sken 50 mVs⁻¹, b kurva GCD pada densitas arus 1 Ag⁻¹, c CV seperti yang ditentukan dari kurva GCD, dan d perbandingan plot Nyquist dari semua kertas
Selain itu, kapasitansi spesifik dari semua film yang disintesis menurun dengan peningkatan densitas arus karena difusi ion elektrolit ke dalam elektroda film menjadi lebih lambat pada nilai densitas arus yang lebih tinggi. Gambar 8d menunjukkan plot Nyquist dari semua elektroda, yang menunjukkan bahwa dengan peningkatan konten MWCNT, resistensi internal mulai menurun. Resistensi internal adalah resistensi Ohmik, yang terdiri dari resistensi ionik elektrolit, resistensi inheren substrat dan material elektroda aktif, dan resistensi kontak pada antarmuka material elektroda aktif dan substrat. Elektroda film GP10C menunjukkan resistensi internal terkecil (1,14 Ω), sementara resistensi internal untuk rGO, GP5C, dan GP15C ditemukan sekitar 2,2, 1,41, dan 1,19 Ω, masing-masing. Nilai resistensi internal yang lebih kecil untuk film GP10C dapat diatribusikan pada kontak yang lebih baik dan konduktivitas listrik yang lebih tinggi. Frekuensi \"knee\" didefinisikan sebagai nilai frekuensi tertinggi di mana impedansi sistem didominasi oleh sifat kapasitif [55]. Ini terkait dengan koefisien difusi dan panjang difusi efektif dari material elektroda aktif. Lebih lanjut, pada frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi knee, ion elektrolit melalui difusi semi-tak hingga dan pada frekuensi yang lebih rendah dari ini [56, 57]. Nilai frekuensi knee untuk GP5C, GP10C, dan GP15C adalah 1,37, 1,49, dan 1,10 Hz, masing-masing. Nilai frekuensi knee yang lebih tinggi untuk GP10C menyiratkan bahwa waktu yang lebih sedikit diperlukan oleh spesies muatan untuk menyimpan pada antarmuka untuk sampel ini. Lebih lanjut, sangat terdokumentasi bahwa busur yang lebih besar pada wilayah frekuensi tinggi-ke-menengah sesuai dengan resistensi transfer muatan (Rct) yang lebih besar [31, 58]. Rct untuk film GP15C tampaknya cukup lebih tinggi daripada GP10C, yang mungkin disebabkan oleh konduktivitas listrik yang lebih rendah dan resistensi kontak yang lebih tinggi dengan elektrolit air [59].
Selanjutnya, data EIS dapat digunakan untuk menemukan konstanta waktu relaksasi (τ₀) dari perangkat seperti superkapasitor dalam hal daya kompleks dengan bantuan Persamaan (8) dan (9). Konstanta waktu relaksasi (τ₀) adalah parameter penting dan dianggap sebagai faktor layak untuk superkapasitor. Untuk menentukan konstanta waktu relaksasi, faktor imajiner terstandar (|Q|/|S|) dan faktor nyata (|P|/|S|) dari daya digambarkan versus frekuensi (dalam skala logaritmik) (Gambar 9). Kedua kurva ini saling memotong pada titik yang disebut frekuensi resonansi (f₀), yang digunakan untuk menghitung waktu relaksasi dari superkapasitor menggunakan rumus berikut: τ₀ = 1/2πf₀ [49]. Dari grafik, kami mengamati bahwa pada frekuensi yang lebih tinggi, |P|/|S| mencapai nilai maksimum, yang menyiratkan daya maksimum terdisipasi dalam sistem, yaitu, superkapasitor berperilaku seperti resistor murni. Seiring penurunan frekuensi, |P|/|S| menurun sampai pada titik di mana |Q|/|S| mencapai nilai tertinggi. Pada titik ini, superkapasitor bekerja seperti kapasitor murni. Secara jelas, untuk semua film yang diuji GP(rGO), GP5C, GP10C, dan GP15C, kedua kurva |P|/|S| dan |Q|/|S| berjalan sebaliknya dengan variasi frekuensi dan saling memotong pada frekuensi resonansi (f₀). Nilai konstanta waktu relaksasi untuk GP, GP5C, GP10C, dan GP15C seperti yang dihitung menggunakan frekuensi resonansi adalah 1,3 s, 196 ms, 194 ms, dan 378 ms, masing-masing. Setelah menambahkan MWCNT pada film rGO, konstanta waktu relaksasi menurun secara signifikan. Ini mungkin disebabkan oleh fakta bahwa CNT mencegah restumping lembar rGO dan sehingga memungkinkan ion elektrolit untuk bergerak lebih cepat ke dalam film. Seiring peningkatan jumlah MWCNT (15 wt%) dalam film rGO, peningkatan konstanta waktu relaksasi diamati. Ini dapat diatribusikan pada diameter yang lebih kecil dari MWCNT (10–20 nm) yang menawarkan resistensi difusi ion yang lebih tinggi, yang menjadi signifikan seiring peningkatan jumlah MWCNT di atas nilai optimal [60, 61]. Hasil EIS juga dapat digunakan untuk menentukan koefisien difusi dari film yang disintesis untuk ion elektrolit (Gambar 9d). Koefisien difusi (D_a) yang dihitung dari ion elektrolit di wilayah antarmuka menggunakan Eq. (7) adalah 1,0112 × 10⁻¹³, 8,0286 × 10⁻⁹, 7,8457 × 10⁻⁹, dan 2,1919 × 10⁻⁹ untuk GP, GP5C, GP10C, dan GP15C, masing-masing, dalam KOH 2 M. Terlihat bahwa konstanta waktu relaksasi dan koefisien difusi dari GP5C dan GP10C hampir sama, tetapi Cs dan kemampuan laju dari GP10C jauh lebih baik daripada GP5C. Konstanta waktu relaksasi yang kecil dan koefisien difusi yang tinggi dari elektroda film GP10C memungkinkannya untuk menyampaikan energi yang tersimpan dengan cepat, dan kapasitansi spesifik yang tinggi membuatnya diinginkan untuk merancang kapasitor daya tinggi.
a–c adalah bagian nyata terstandar |P|/|S| dan bagian imajiner |Q|/|S| dari daya kompleks sebagai fungsi frekuensi untuk GP, GP5C, dan GP10C, masing-masing, dan d plot Randles dari semua elektroda yang disintesis
Dari hasil di atas, elektroda superkapasitor berbasis film GP10C menunjukkan properti elektrokimia terbaik di antara film yang disintesis. Oleh karena itu, kami menyelidiki performa elektrokimia secara detail. Gambar 10a menunjukkan kurva CV GP10C pada 5, 10, 25, 50, dan 100 mVs⁻¹ dalam rentang potensial −0,9 V hingga 0,0 V vs elektroda referensi Ag/AgCl. Ditunjukkan bahwa semua kurva CV memiliki bentuk hampir persegi panjang dan simetris, yang menunjukkan perilaku kapasitif EDL yang sempurna dan karakteristik pengisian/pengosongan cepat. Inses pada Gambar 10a menunjukkan hubungan hampir linier antara arus puncak rata-rata dan akar kuadrat dari laju sken dengan koefisien korelasi R² = 0,98878. Fenomena ini menunjukkan bahwa proses elektrokimia dalam film adalah proses yang dikontrol difusi [62]. Gambar 10b mewakili kurva GCD GP10C yang dievaluasi pada 0,25 hingga 10 Ag⁻¹ dalam −0,9 hingga 0,0 V. Selama proses pengisian/pengosongan, kurva yang sesuai juga memverifikasi bahwa kurva pengisian GP10C hampir simetris dengan kurva pengosongannya yang sesuai. Untuk mengevaluasi daya tahan GP10C, tes siklus panjang dilakukan dalam elektrolit KOH 2 M pada 2 Ag⁻¹. Gambar 10c menggambarkan stabilitas siklus panjang, yang merupakan parameter penting lainnya untuk mengevaluasi performa elektrokimia dari material elektroda. Setelah 15.000 siklus, elektroda GP10C menunjukkan retensi yang sangat baik sebesar 92,5%. Inses pada Gambar 10c menunjukkan 5 siklus pertama dan terakhir berturut-turut. Ini menunjukkan bahwa bahkan setelah 15.000 siklus, elektroda mempertahankan karakteristik pengisian/pengosongan simetris yang baik, yang memverifikasi daya tahan elektrokimia yang luar biasa. Gambar 10d mewakili plot Nyquist dari elektroda GP10C yang direkam selama tes siklus panjang. Terlihat bahwa nilai resistensi internal naik selama proses siklus dari siklus pertama hingga 15.000 siklus. Elektroda GP10C menunjukkan resistensi internal terendah (1,12 Ω) selama siklus pertama dan setelah 10.000 dan 15.000 siklus, seiring konsumsi lambat situs elektrokimia aktif dalam elektroda, nilai resistensi internal meningkat dari 2,64 hingga 3,04 Ω, masing-masing. Akibatnya, nilai CV menurun lambat dan berulang selama siklus elektrokimia (Gambar 10c). Lebih lanjut, untuk menemukan perubahan morfologis apa pun dalam elektroda film GP10C setelah tes siklus panjang, kami melakukan studi ex situ (FESEM dan TEM), dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 11. Gambar 11a menunjukkan citra TEM dari elektroda GP10C sebelum tes siklus panjang, sementara Gambar 11b dan c mewakili citra FESEM dan TEM dari GP10C setelah 15.000 siklus. Kami dapat melihat bahwa morfologi elektroda GP10C tidak berubah bahkan setelah 15.000 siklus, yang mengungkapkan stabilitas kimia yang berkelanjutan dari film. Kapasitansi yang diamati dari elektroda film GP10C lebih tinggi daripada beberapa elektroda superkapasitor berbasis grafen bebas yang dilaporkan terbaru seperti ditunjukkan pada Tabel 1.
Performa elektrokimia GP10C dalam elektrolit KOH 2 M a kurva CV pada laju sken 5, 10, 25, 50, dan 100 mVs⁻¹; b kurva GCD pada densitas arus 0,25, 0,5, 1.0, 2.0, 3.0, 5.0, 7.0, dan 10 Ag⁻¹; c performa stabilitas siklus untuk elektroda GP10C pada 2 Ag⁻¹ dan inses menunjukkan kurva GCD 5 siklus pertama dan terakhir; dan d plot Nyquist untuk GP10C dan inses menunjukkan performa EIS selama siklus 1, 10.000, dan 15.000
a Citra TEM dari elektroda CP10C sebelum tes siklus panjang dan b FESEM dan c citra TEM dari CP10C setelah 15.000 siklus
Performa Superkapasitor Simetrik
Selanjutnya, untuk menyelidiki aplikasi praktis dari film GP10C, kami membuat superkapasitor koin simetrik menggunakan dua elektroda GP10C dengan berat yang sama yang dipisahkan oleh pemisah dalam elektrolit air KOH 2 M. Gambar 12a dan b menunjukkan profil CV dari perangkat pada laju sken 2, 5, 10, 15, 25, 50, 75, dan 100 mVs⁻¹. Kami dapat mengamati bentuk persegi panjang hampir identik, yang menyiratkan perilaku EDLC yang sempurna dari superkapasitor. Gambar 12c mewakili kurva GCD linier pada semua densitas arus yang menunjukkan respons laju tinggi dari perangkat. Selain itu, resistensi internal yang lebih kecil (0,4 Ω) dari sel koin menunjukkan transportasi muatan yang lebih baik dalam superkapasitor (Gambar 12d). Kapasitansi spesifik yang dihitung dari CV perangkat (Gambar 12e) adalah 53, 51, 49,8, 48, 46,7, dan 45 Fg⁻¹ pada 0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 0,7, dan 1,0 Ag⁻¹, masing-masing. Dari profil kapasitansi (Gambar 12e), jelas ditunjukkan bahwa perangkat mempertahankan 85% dari nilai kapasitansi awalnya pada densitas arus 0,1 Ag⁻¹ hingga 1 Ag⁻¹, yaitu, kemampuan laju yang baik. Selain itu, kami menghitung densitas energi (Whkg⁻¹) dan densitas daya (Wkg⁻¹) dari perangkat menggunakan persamaan yang diberikan di bawah [8, 9]:
E = Cs / (2 × 3.6) × (ΔV)² (8)
P = E / Δt × 3600 (9)
Performa elektrokimia sel koin superkapasitor simetrik GP10C/KOH/GP10C a, b kurva CV sel koin GP10C/KOH/GP10C pada 2, 5, 10, 15, 25, 50, 75, dan 100 mVs⁻¹, c plot Nyquist, d kurva GCD perangkat pada densitas arus yang berbeda, e SC pada densitas arus yang berbeda, f plot Ragone
di mana Cs adalah SC yang dihitung dari kurva GDC, ΔV adalah jendela potensial, t adalah waktu pengosongan (s).
Perangkat menunjukkan densitas energi maksimum dan minimum sebesar 29,4 dan 25,0 Whkg⁻¹ pada densitas daya sebesar 439 dan 4500 Wkg⁻¹, masing-masing (Gambar 12f).
Perangkat simetrik ini menunjukkan retensi yang luar biasa sekitar 85% dan efisiensi kulomb 92% setelah 10.000 siklus berturut-turut pada 0,3 Ag⁻¹ (Gambar 13a). Keunggulan siklus perangkat dapat diatribusikan pada stabilitas elektrokimia dari material elektroda aktif. Dalam film nanokomposit GP10C, jumlah MWCNT yang optimal terutama mencegah restumping lembar rGO dan sehingga menawarkan area yang lebih terpapar untuk ion elektrolit untuk adsorpsi permukaan. Ini juga memperkuat struktur material untuk menahan deformasi struktural selama siklus. Mikrograf TEM dan FESEM ex situ dari elektroda yang diuji setelah 15.000 siklus (Gambar 11a–c) memverifikasi perilaku bahwa morfologi elektroda GP10C tetap sama bahkan setelah 15.000 siklus, yang mengungkapkan stabilitas kimia yang berkelanjutan dari film komposit yang disintesis. Inses pada Gambar 13a menunjukkan profil GCD dari siklus pengisian/pengosongan ke-1, ke-5000, dan ke-10.000, yang menunjukkan karakteristik pengisian/pengosongan simetris dari perangkat. Retensi yang tinggi bahkan setelah 10.000 siklus berkelanjutan panjang memverifikasi daya tahan elektrokimia yang luar biasa. Gambar 13b menggambarkan plot Nyquist dari perangkat selama tes siklus panjang, yang menyiratkan bahwa dengan siklus berulang, wilayah Warburg pada wilayah frekuensi menengah meningkat. Ini dapat diatribusikan pada konsumsi situs aktif yang ada dalam material aktif elektroda superkapasitor selama tes siklus panjang, yang mengakibatkan peningkatan resistensi internal dari perangkat. Inses (Gambar 13b) menunjukkan bahwa sel koin simetrik kami dapat menyalakan lampu LED merah. Lebih lanjut, FSSSD yang kami desain menggunakan elektroda film fleksibel GP10C dan elektrolit gel menunjukkan tidak ada perubahan signifikan dalam bentuk kurva CV saat perangkat dibengkokkan pada sudut dari 0 hingga 180° pada laju sken 20 mVs⁻¹ (Gambar 13c). Foto digital dari perangkat pada sudut lenturan 0°, 60°, 90°, dan 180° ditunjukkan pada Gambar 13d–g, masing-masing.
Performa siklus panjang dari sel koin simetrik GP10C/KOH/GP10C. a Stabilitas siklus dan efisiensi kulomb yang direkam pada 0,3 Ag⁻¹ untuk 10.000 siklus berturut-turut, dan inses menunjukkan profil GCD dari siklus GCD ke-1, ke-5000, dan ke-10.000. b Plot Nyquist yang direkam tepat setelah siklus ke-1, ke-5000, dan ke-10.000, dan inses menunjukkan lampu LED merah yang dinyalakan oleh satu sel koin. c Kurva CV pada laju sken 20 mVs⁻¹ dari perangkat simetrik semua padat fleksibel yang menggunakan elektrolit gel polimer di bawah sudut lenturan yang berbeda. Foto digital dari perangkat di bawah sudut lenturan yang berbeda, d 0°, e 60°, f 90°, dan g 180°, masing-masing
Hasil di atas membuktikan potensi aplikasi film GP10C yang kami sintesis untuk superkapasitor. Selain itu, pendekatan mudah ini dapat membuka prospek masa depan untuk aplikasi perangkat penyimpanan energi.
Kesimpulan
Ringkasnya, elektroda film rGO/MWCNT fleksibel yang sederhana dan hemat biaya disintesis melalui rute kimia paling sederhana. Efek penambahan MWCNT terhadap performa elektrokimia film nanokomposit rGO/MWCNT diselidiki dalam elektrolit basa yang berbeda, KOH, LiOH, dan NaOH. Berdasarkan temuan eksperimental, GP10C menunjukkan performa elektrokimia terbaik dalam KOH 2 M dengan SC sebesar 200 Fg⁻¹. Elektroda film yang disintesis ini menunjukkan daya tahan yang luar biasa dengan retensi 92% setelah tes siklus panjang 15.000, konstanta waktu relaksasi kecil (~194 ms), dan koefisien difusi tinggi (7,8457 × 10⁻⁹ cm² s⁻¹) dalam elektrolit air KOH 2 M. Performa elektrokimia yang unggul dari GP10C dapat diatribusikan pada radius bola hidrasi yang lebih kecil dan konduktivitas ionik yang lebih tinggi dari kation K⁺. Sel koin superkapasitor simetrik menggunakan GP10C sebagai anode dan katoda serta KOH 2 M sebagai elektrolit menunjukkan perilaku EDLC yang sempurna dengan densitas energi dan daya maksimum masing-masing 29,4 Whkg⁻¹ dan 4500 Wkg⁻¹. Sel simetrik kami menunjukkan retensi yang luar biasa sebesar 85,3%, dan efisiensi kulomb 92% setelah 10.000 siklus berturut-turut pada 0,3 Ag⁻¹. Lebih lanjut, FSSSD yang dirancang menggunakan elektroda film fleksibel GP10C dan elektrolit gel menunjukkan tidak ada perubahan signifikan dalam bentuk kurva CV saat perangkat dibengkokkan pada sudut dari 0 hingga 180° pada 20 mVs⁻¹. Kami yakin bahwa film nanokomposit rGO/MWCNT kami cocok untuk aplikasi praktis dan sesuai untuk merancang penyimpanan energi kapasitif tinggi (superkapasitor atau baterai Li), konversi, dan perangkat dapat dikenakan.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data dan bahan sepenuhnya tersedia tanpa pembatasan.
