Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Sintesis Film rGO/MWCNT Fleksibel Berdiri Bebas untuk Aplikasi Superkapasitor Simetris

Abstrak

Di sini, kami melaporkan cara baru, sederhana, dan hemat biaya untuk mensintesis film berdiri bebas rGO dan rGO/MWCNT yang fleksibel dan konduktif. Pengaruh penambahan MWCNT pada kinerja elektrokimia film nanokomposit rGO/MWCNT diselidiki dalam beberapa elektrolit berair basa kuat, seperti KOH, LiOH, dan NaOH melalui sistem tiga elektroda. Perilaku superkapasitor film diperiksa melalui voltametri siklik, pengisian-pengosongan galvanostatik, dan spektroskopi impedansi elektrokimia. Studi struktural dan morfologi film dilakukan dengan difraktometer sinar-X, spektrometer Raman, penganalisis luas permukaan, analisis termogravimetri, mikroskop elektron pemindaian emisi medan dan mikroskop elektron transmisi. Film rGO/MWCNT yang disintesis dengan 10 wt% MWCNTs (GP10C) menunjukkan kapasitansi spesifik tinggi 200 Fg −1 , stabilitas siklik yang sangat baik dengan retensi 92% setelah 15.000 uji siklus panjang, konstanta waktu relaksasi kecil (~ 194 ms), dan koefisien difusi tinggi (7,8457 × 10 −9 cm 2 s −1 ) dalam elektrolit KOH 2 M. Selanjutnya, sel koin superkapasitor simetris dengan GP10C sebagai anoda dan katoda menggunakan 2 M KOH sebagai elektrolit menunjukkan densitas energi yang tinggi sebesar 29,4 Whkg −1 dan kepadatan daya 439 Wkg −1 pada rapat arus 0,1 Ag −1 dan stabilitas siklik yang baik dengan retensi 85% dari kapasitansi awal pada 0,3 Ag −1 setelah 10.000 siklus. Performa tinggi dari film GP10C dalam superkapasitor dapat dianggap berasal dari luas permukaan yang besar dan radius bola hidrasi yang kecil serta konduktivitas ionik K + yang tinggi. kation dalam elektrolit KOH.

Pengantar

Grafena, karena sifat fisiknya yang luar biasa seperti luas permukaan spesifik yang sangat tinggi, konduktivitas listrik yang luar biasa, fleksibilitas mekanik yang sangat baik, dan stabilitas termal/kimia yang tidak biasa, telah menjadi salah satu bahan yang paling banyak dipelajari dalam ilmu material setelah ditemukan pada tahun 2004 [1, 2,3]. Karena sifat unik yang disebutkan di atas, graphene telah menemukan aplikasi potensial dalam nanoelektronik [4], penginderaan [5], penyimpanan energi [6], sel surya [7], dan perangkat nanomekanik [8]. Namun, fabrikasi film area luas yang seragam dari grafena murni monolayer atau bilayer tidak hanya sulit tetapi juga mahal, yang menghambat aplikasi komersialnya dalam fabrikasi perangkat. Oleh karena itu, para peneliti menggunakan graphene oxide (rGO) tereduksi, yang diturunkan dari reduksi kimia dan/atau termal dari graphene oxide (GO) hidrofilik, sebagai alternatif dari graphene murni. Dewasa ini, permintaan akan perangkat elektronik yang murah, andal, portabel, dan dapat ditekuk telah meningkat pesat [9]. Dalam hal ini, perangkat penyimpanan energi fleksibel (superkapasitor dan baterai Li-ion) telah menjadi pusat daya tarik bagi komunitas ilmiah dunia karena tujuannya untuk integrasi dalam perangkat elektronik fleksibel [10,11,12,13,14,15] . Dalam hal ini, bahan yang dapat dengan mudah diubah menjadi bentuk seperti kertas yang berdiri bebas sangat diinginkan. Oleh karena itu, ketika mencari bahan yang dapat ditekuk yang memiliki stabilitas mekanik dan kimia yang baik, konduktivitas listrik yang sangat baik dan mudah diubah menjadi film tipis dengan area luas, rGO ditemukan sebagai kandidat yang sangat menjanjikan dan menguntungkan [16, 17]. Ada dua pendekatan untuk menyiapkan film atau membran seperti kertas rGO yang berdiri bebas. Pendekatan pertama melibatkan filtrasi langsung dari dispersi rGO di atas kertas saring tertentu [18, 19]. Pendekatan kedua dimulai dengan sintesis bubuk GO dan diakhiri dengan reduksi kertas GO menjadi kertas rGO baik menggunakan beberapa zat pereduksi atau melalui annealing dalam lingkungan inert/reduksi [20,21,22,23]. Berbagai teknik telah dilaporkan untuk mensintesis kertas rGO fleksibel yang berdiri bebas. Xiao dkk. fabrikasi kertas rGO dengan teknik cetak diikuti dengan CO2 metode delaminasi bubbling dan kertas yang diperoleh menunjukkan kapasitansi spesifik 55 Fg −1 pada 1 Ag −1 [20]. Rath dkk. kertas rGO yang disintesis melalui filtrasi vakum suspensi GO dan reduksi selanjutnya menggunakan asam hidriodik (HI) (55%) dan memperoleh kapasitansi spesifik (SC) sebesar ~ 80 Fg −1 pada 0,5 Ag −1 [21]. Li dkk. mendokumentasikan SC 130 Fg −1 pada 0.1 Ag −1 untuk kertas rGO disiapkan dengan filtrasi vakum suspensi berair GO diikuti dengan reduksi melalui bubuk Zn dalam larutan amonia [22]. Lebih lanjut, Hu et al. kertas rGO yang disintesis dengan filtrasi vakum dari dispersi berair GO dan reduksi elektrokimia berikutnya. Mereka melaporkan SC sebesar 106 F cm −3 pada 1 mV s −1 kecepatan pemindaian [23]. Berdasarkan bukti literatur, telah disimpulkan bahwa π -π interaksi dan interaksi van der Waals yang kuat antara bidang basal menyebabkan penyusunan ulang dan agregasi lembar nano rGO, yang mengakibatkan berkurangnya luas permukaan dan kinerja elektrokimia yang buruk dari kertas rGO [24,25,26,27].

Dalam penelitian ini, kami melaporkan cara baru, mudah, dan hemat biaya untuk mensintesis film rGO konduktor fleksibel dengan multiwall karbon nanotube (MWCNTs) yang diselingi di antara lembaran rGO. Kami menunjukkan bahwa penggunaan MWCNT dalam jumlah yang tepat untuk membentuk film nanokomposit rGO / MWCNT dapat secara efektif mencegah penyusunan kembali lembaran nano rGO, oleh karena itu, meningkatkan kinerja elektrokimia film. Jumlah HI optimum, diikuti dengan annealing pada 250 °C dalam lingkungan pereduksi (3% H2 + 97% N2 ) selama 2 h, digunakan untuk mereduksi film GO/MWCNTs menjadi rGO/MWCNT. Ketebalan film dapat dikontrol dengan mudah hanya dengan menyetel volume dispersi GO yang digunakan dalam sintesis film rGO dan rGO/MWCNT. Kami memeriksa kinerja elektrokimia film fleksibel nanokomposit rGO/MWCNT yang dibuat dengan berbagai berat (0, 5, 10, dan 15) MWCNT. Hasil menunjukkan bahwa film rGO/MWCNT yang disintesis dengan 10 wt% MWCNTs menunjukkan kapasitansi spesifik yang sangat baik sebesar 200 Fg −1 pada 0.25 Ag −1 dalam elektrolit berair 2 M KOH, lebih tinggi dari beberapa nilai yang dilaporkan sebelumnya. Film nanokomposit berdiri bebas yang dioptimalkan seperti yang disiapkan digunakan sebagai anoda dan katoda untuk merancang perangkat superkapasitor simetris yang menunjukkan kepadatan energi tinggi 29,4 Whkg −1 dan stabilitas yang baik dengan retensi 85% setelah 10.000 siklus dalam elektrolit berair KOH 2 M.

Metode

Materi

Semua bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini adalah kelas murni analitis. Bubuk halus grafit alami (No. 15553, Riedel-de Haen), MWCNTs (Ctube-120, panjang 5–20 μm) telah diterima (CNT Co., Ltd., Korea Selatan). Asam hidriodik (57% b/b aq. soln.) dibeli dari Alfa Aesar. Alkohol polivinil (PVA, MW 89.000~98.000) dibeli dari Sigma-Aldrich Company. Semua dispersi dan larutan disiapkan dalam air DI dengan resistivitas setidaknya 18 MΩ cm pada 25 °C, diperoleh dari sistem pemurnian air Milli-Q (Milli-Q, USA).

Persiapan Grafena Oksida

Bahan prekursor, graphene oxide (GO) disintesis oleh oksidasi kimia kuat bubuk grafit dalam campuran (9:1) H2 JADI4 dan H3 PO4 [28]. Produk yang diperoleh (serpihan GO) dikeringkan dengan vakum pada suhu 45 °C untuk menghilangkan kelembapan.

Pemurnian MWCNT

Sebelum pemanfaatan, MWCNT yang tersedia secara komersial (luas permukaan spesifik, 40–300 m 2 g −1 ; panjang, 5-20 mm) direfluks dalam larutan asam nitrat 70% pada 90 °C selama 24 h. Setelah refluks, campuran yang dihasilkan disaring di atas filter membran nilon (0,45 mm) dan dicuci dengan air DI berlebih sampai pH menjadi netral. Padatan yang disaring dikeringkan dalam oven pada suhu 100 °C selama 24 jam untuk mendapatkan MWCNT yang dimurnikan dan difungsikan.

Sintesis dan Fabrikasi Film Berdiri Bebas Fleksibel rGO/MWCNT

Untuk mensintesis film rGO/MWCNT, jumlah serpihan GO yang dihitung didispersikan dengan baik dalam air DI melalui sonikasi intensif untuk menyiapkan dispersi GO yang homogen sebesar 8 mg/mL. Setelah itu, 0, 5, 10, dan 15 wt% MWCNT dicampur dengan jumlah dispersi GO yang dioptimalkan (20 mL) secara terpisah melalui sonikasi intens ~ 1 h. Sejumlah optimum larutan HI, sebagai zat pereduksi, ditambahkan ke dalam campuran GO-MWCNT di atas setetes demi setetes. Campuran yang dihasilkan dituangkan ke dalam cawan petri berdiameter ~  9.5 cm dan dikeringkan dalam aliran udara. Film rGO/MWCNT kering dapat dengan mudah dikeluarkan dari cawan petri dengan adanya etanol. Dengan demikian, film rGO/MWCNT berdiri bebas yang diperoleh dicuci beberapa kali dengan etanol untuk menghilangkan larutan HI yang tidak bereaksi/sisa dan dikeringkan lagi di udara pada suhu 35 °C selama 12  jam. Akhirnya, film berdiri bebas yang dikeringkan dengan udara dianil pada 250 °C dalam lingkungan pereduksi (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 sebagai GP, GP5C, GP10C, dan GP15C.

Skema sintesis rGO, kertas rGO/CNT, dan proses fabrikasi elektroda

Fabrikasi Elektroda rGO/MWCNT

Elektroda kerja film rGO/MWCNT untuk pengujian elektrokimia disiapkan dengan menekan sepotong (1 × 1cm 2 ) dari film fabrikasi ke busa Ni dengan tekanan seragam ~ 10 mPa selama 2 min. Berat bahan aktif yang dimuat pada substrat busa Ni, yang diukur dengan neraca mikro (PRECISA XR125M-FR) dengan akurasi ~ 0,1 μg, adalah ~ 1,1 mg. Proses sintesis dan fabrikasi elektroda ditunjukkan pada Gambar 1.

Fabrikasi Sel Koin Simetris Berbasis Film GP10C dan Perangkat Fleksibel Solid-State

Superkapasitor simetris berbasis elektroda GP10C berhasil dirancang dalam konfigurasi sel koin dua elektroda menggunakan elektrolit KOH 2 M. Secara singkat, dua elektroda GP10C melingkar dengan bobot yang sama dimasukkan ke dalam rakitan sel koin CR2032. Di sini, untuk mencegah kontak langsung dari elektroda kerja, pemisah (Glass microfiber membrane, Whatman TM ) terjepit di antara mereka. Massa total bahan aktif dalam perangkat adalah ~ 3.5 mg. Selanjutnya untuk melihat kompatibilitas bahan elektroda GP10C dalam perangkat fleksibel, dirancang perangkat simetris solid-state fleksibel (FSSSD) menggunakan elektrolit polimer gel PVA-KOH. Untuk pembuatan FSSSD, 1 g PVA dilarutkan dalam 5 mL DI air pada 85 °C dan diaduk selama 1 jam sampai 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 terus menerus untuk mendapatkan bentuk seperti gel kuasi-padat [29]. Untuk perakitan perangkat, dua bagian (1 × 2cm 2 ) elektroda GP10C dengan bobot yang sama dipasang pada kain baja tahan karat fleksibel, yang mencegah elektroda dari kejutan mekanis dan memberikan dukungan untuk kontak eksternal. Kedua elektroda kerja dilapisi secara seragam dengan elektrolit gel seperti padatan kuasi. Untuk mendapatkan lapisan padat seperti gel yang tepat, kedua elektroda kerja dikeringkan dengan udara di lemari asam untuk menghilangkan akses air, diapit bersama-sama, dan akhirnya dibungkus dengan pita perekat.

Karakterisasi Fisiko-Kimia dan Pengukuran Elektrokimia

Film rGO/MWCNT yang disiapkan diperiksa dengan cermat melalui difraktometer sinar-X (XRD, BRUKER D2 PHASER) yang dirakit dengan penyinaran CuKα (λ = 1.54184 Å, 10 mA dan 30 kV), dan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FE-SEM, Hitachi SU8010) masing-masing untuk melakukan analisis morfologi kristal dan permukaan. Pengukuran spektrum Raman sampel dilakukan dengan menggunakan laser Ar 514.5 nm, 40 mW (Horiba Jobin Yvon Labarm HR 800). Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analyzer (BET, ASAP 2020) digunakan untuk mengidentifikasi luas permukaan spesifik. Analisis gravimetri termal (TGA) dilakukan dari 30 hingga 900 °C pada 3 °C min −1 tingkat peningkatan di bawah N2 lingkungan menggunakan penganalisis termogravimetri (TGA, TA Instrumen Q500). Resistansi Ohmik dari film hasil sintesis diukur melalui metode probe empat titik (NAPSON RT-7), dan konduktivitas listrik dihitung menggunakan persamaan berikut:

$$ \sigma =\frac{l}{\mathrm{Rs}\times A} $$ (1)

dimana σ, l, A, dan Rs, masing-masing, mewakili konduktivitas listrik, ketebalan, luas penampang, dan resistansi Ohmik dari film yang disintesis yang diukur melalui instrumen probe empat titik. Sifat elektrokimia dari elektroda film rGO/MWCNT diselidiki dengan voltametri siklik (CV), galvanostatic charge/discharge (GCD), dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) menggunakan instrumen CHI 616B electrochemical analyzer pada suhu kamar. Konfigurasi tiga elektroda, yang mengandung elektroda referensi kalomel jenuh (SCE), lembaran platina sebagai elektroda lawan, 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:

$$ C=\frac{I\ \Delta t}{m\ \Delta V} $$ (2)

dimana Aku adalah debit saat ini, ∆t adalah waktu untuk pelepasan penuh, m adalah massa bahan elektroda aktif, dan ∆V mewakili lebar jendela potensial untuk debit penuh.

Hasil spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) diperoleh dengan menerapkan amplitudo ac 5 mV dalam rentang frekuensi dari 0,1 Hz hingga 100 KHz dan mengukur amplitudo dan pergeseran fasa dari arus yang dihasilkan. Lebih disukai, superkapasitor dapat dilambangkan dengan rangkaian sederhana yang memiliki resistor yang dirangkai seri dengan kapasitor. Di sini, resistor dan kapasitor masing-masing mewakili resistansi seri setara (ESR) dan kapasitansi perangkat. Impedansi bersih dari rangkaian ini dapat dinyatakan sebagai;

$$ {Z}_{\mathrm{RC}}=R+1/ j\omega C $$ (3)

dimana, = 2πf dan f = frekuensi dalam Hz. Persamaan (3) menunjukkan bahwa pada nilai frekuensi yang lebih tinggi, istilah ESR dominan, sedangkan pada nilai frekuensi yang lebih rendah, istilah kapasitif menjadi lebih efektif, dan sistem mulai berperilaku seperti kapasitor murni. Selanjutnya, analisis data EIS memberikan karakteristik yang bergantung pada frekuensi dari bahan elektroda superkapasitor dalam hal daya kompleks seperti yang diberikan di bawah ini:

$$ S\left(\omega \right)=\mathrm{P}\ \left(\upomega \right)+\mathrm{iQ}\ \left(\upomega \right) $$ (4)

dimana P (ω ), komponen daya nyata, didefinisikan sebagai daya aktif (watt), dan Q (ω ), yaitu, komponen daya imajiner, disebut sebagai daya reaktif (volt-ampere-reaktif, VAR).

P (ω ) dan Q (ω ) dapat ditulis sebagai berikut:

$$ P\ \left(\omega \right)=\left[\ \Delta {V^2}_{\mathrm{rms}}/|Z\ \left(\omega \right)|\right].\ cos\ \upphi $$ (5) $$ Q\ \left(\omega \right)=\left[\ \Delta {V^2}_{\mathrm{rms}}/|Z\ \left(\omega \right)|\right].\sin\ \upphi $$ (6)

Persamaan di atas (4)–(6) dapat langsung digunakan untuk mengetahui nilai daya superkapasitor.

$$ \sigma =\frac{RT}{n^2{F}^2A\sqrt{2}}\left(\frac{1}{C^{\ast}\sqrt{D}}\kanan) $ $ (7)

dimana T adalah suhu mutlak, n adalah nomor transfer biaya, R mewakili konstanta gas, C* adalah konsentrasi elektrolit, dan A mewakili area elektroda kerja.

Hasil dan Diskusi

Kami mensintesis film nanokomposit berbasis rGO / MWCNT melalui rute kimia satu langkah yang efisien. Umumnya, nanokomposit berbasis rGO terkenal sebagai bahan penyimpan energi. Selain itu, seperti yang dilaporkan dalam literatur, MWCNT digunakan untuk membangun saluran konduktif di dalam material [31]. Oleh karena itu, kami mempelajari efek penggabungan MWCNT pada kinerja elektrokimia dari film berbasis rGO yang berdiri sendiri. Kami mengamati bahwa jumlah HI (pereduksi) sangat penting untuk mendapatkan film rGO/MWCNT yang berdiri sendiri secara kontinu. Kuantitas yang sedikit lebih banyak dari nilai optimum akan meninggalkan keretakan pada film karena jumlah HI yang berlebihan menyebabkan lebih banyak I2 untuk membebaskan (HI + H2 O → H3 O + + Saya , dan 2Saya = Saya2 + 2e ), yang akan menyebabkan keretakan pada film seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

a Film rGO/MWCNT retak, b film seragam, c film seragam dikeluarkan dari cawan petri, dan df film berdiri bebas yang dicuci dan dianil

Karakterisasi Struktural dan Morfologis

Pola XRD dari film GO, rGO, MWCNT, dan GP10C ditunjukkan pada Gambar 3 a. Karakterisasi komprehensif XRD mewakili deoksigenasi film yang disiapkan. Pola XRD film GO menunjukkan bahwa puncak difraksi yang tajam pada 2θ = 10.4°, sesuai dengan karakteristik (001) difraksi GO. Ini menunjukkan jarak antar lapisan yang lebih besar (d = 0.8465 nm) GO daripada grafit (~ 0.34 nm) karena pengenalan gugus fungsi yang mengandung oksigen (misalnya, gugus epoksi dan hidroksil) yang melekat pada permukaan lembar GO dan adanya lapisan tebal molekul tunggal lapisan molekul air diselingi antara lembaran [32,33,34]. Dalam kasus sampel rGO, MWCNT, dan GP10C, puncak difraksi muncul pada 2θ = 26,24°, 25,49°, dan 25°, berturut-turut. Pengurangan grafena oksida yang berhasil dibuktikan dengan penyusutan signifikan jarak antarlapisan dalam rGO (~ 0,3475 nm) dan GP10C (~ 0,36 nm), yang dikaitkan dengan penghancuran gugus fungsi yang mengandung oksigen. Analisis Raman dari film rGO/MWCNT (Gbr. 3b) dilakukan untuk mengeksplorasi lebih lanjut struktur GO, rGO, MWCNTs, dan GP10C dengan karakteristik pita G dan D yang dihasilkan masing-masing terkait dengan cacat dan ketidakteraturan. Untuk mengamati cacat yang disajikan dalam bahan terkait graphene, rasio intensitas (I D /Aku G ) untuk pita D (pada 1350 cm −1 ) dan pita G (pada 1590 cm −1 ) umumnya digunakan [35]. ID /IG rasio (inset, Gbr. 3b) masing-masing meningkat dari 0,9685 untuk film GO menjadi 1,2123, 1,0807, dan 1,1649 untuk kertas rGO, MWCNT, dan GP10C, yang menunjukkan lebih banyak cacat pada film rGO, MWCNT, dan GP10C daripada film GO murni. Peningkatan cacat mungkin karena disintegrasi lembaran graphene menjadi sp 2 yang lebih kecil domain graphene dan hilangnya atom karbon yang disebabkan oleh dekomposisi gugus yang mengandung oksigen [36]. Nilai I D /Aku G rasio untuk film GP10C lebih kecil (1,1649) dibandingkan dengan film rGO (1,2123) yang dapat dianggap berasal dari peningkatan sp 2 domain yang disebabkan oleh memperkenalkan nanotube karbon [37]. N2 isoterm adsorpsi-desorpsi film rGO dan GP10C setelah menerapkan tekanan seragam 10,0 MPa selama 5 min ditunjukkan pada Gambar. 3 c. Luas permukaan spesifik BET yang dihitung untuk GP10C (0,9869 m 2 /g) ditemukan lebih dari 4 kali lebih tinggi dari film rGO (0.2229 m 2 /G). Luas permukaan spesifik yang lebih tinggi memprediksi ketersediaan lebih banyak area antarmuka antara ion elektrolitik dan bahan aktif elektroda dan mungkin memberikan kinerja elektrokimia yang lebih baik [38]. Luas permukaan spesifik yang lebih tinggi dapat dikaitkan dengan MWCNT yang diapit di antara lapisan rGO, yang mencegah penyusunan ulang lembaran rGO setelah menerapkan tekanan eksternal. Untuk menyelidiki stabilitas termal, TGA film yang disintesis dilakukan dalam N2 lingkungan dengan kecepatan 3 °C min −1 dari 30 hingga 900 °C (Gbr. 3d). Dalam grafik TGA, penurunan berat badan 3,2% dari 30 hingga 255 °C terkait dengan penguapan air yang diserap permukaan dan penghilangan molekul air yang saling berlapis [39]. Kehilangan berat sekitar 18,6% dalam kisaran 302 hingga 810 °C dapat dikaitkan dengan dekomposisi gugus fungsi hidrofilik, yang melekat pada rGO dan MWCNT selama proses pemurnian dan sintesis dan terkait dengan dekomposisi termal dari grafena oksida dan karbon tereduksi. nanotube [40]. Kami mengamati bahwa stabilitas termal film GP10C lebih baik daripada film rGO murni, yang murni dapat dianggap berasal dari keberadaan MWCNT dalam GP10C yang berdiri sendiri.

Pola XRD dari GO, kertas rGO, MWCNT, dan film GP10C. a , b Evolusi spektrum Raman dari pita D dan G, c Analisis BET film rGO, rGO/CNT, dan d Kurva TGA film rGO, MWCNT, dan film GP10C

Mikrograf FESEM dari film rGO dan rGO/MWCNT ditunjukkan pada Gambar. 4. Pemeriksaan cross-sectional (Gbr. 4a) mengungkapkan bahwa lembaran rGO disejajarkan dan disusun kembali di atas yang lain dalam film rGO. Kami mengamati keberadaan beberapa kantong udara di antara lapisan rGO, yang muncul karena pembebasan oksigen dan spesies gas lainnya selama proses reduksi dan anil. Kantong udara ini mengurangi konduktivitas listrik dan karenanya kinerja elektrokimia dari film yang berdiri bebas [41]. Kami mengamati dengan penambahan MWCNT dalam film (Gbr. 4b-d), lapisan rGO menjadi lebih selaras dengan kantong udara yang lebih kecil karena MWCNT bekerja sebagai pengisi dan menyediakan jalur alternatif bagi spesies gas untuk keluar dari film.

Gambar FE-SEM penampang dari a film rGO, dengan MWCNT yang berbeda memuat b 5 wt.%, c 10 wt.%, dan d 15 wt.%

Pengukuran Konduktivitas Listrik

Konduktivitas listrik adalah parameter yang sangat penting untuk menyelidiki kinerja elektrokimia dari film rGO dan rGO/MWCNT yang disiapkan. Pengukuran kelistrikan GP, ​​GP5C, GP10C, dan GP15C dengan ketebalan masing-masing sekitar 0,01, 0,015, 0,014, dan 0,0165 mm dilakukan melalui instrumen probe empat titik dan resistansi Ohmik terukur dari GP, GP5C, GP10C, dan GP15C adalah ditemukan masing-masing 2,94, 2,71, 1,93, dan 2,66 mΩ/sq. (Gbr. 5a). Gambar 5b menggambarkan nilai konduktivitas listrik yang dihitung dengan Persamaan. (1) untuk GP, GP5C, GP10C, dan GP15C menjadi 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 sampai 10 wt.%. Ini dapat dikaitkan dengan adanya jaringan penghantar listrik yang dibentuk oleh MWCNT dalam film. Penambahan MWCNT dalam film rGO memungkinkan pembentukan jaringan 3D, yang berfungsi sebagai saluran konduksi untuk transportasi muatan di dalam film dan karenanya meningkatkan konduktivitas listriknya. Saat pemuatan MWCNT di rGO meningkat, penyelarasan MWCNT menjadi kurang jelas (Gbr. 4b-d). Pada konsentrasi MWCNT yang lebih tinggi (15 wt.%), kecenderungan aglomerasi MWCNT antara lapisan rGO menjadi efektif yang mengurangi pembentukan jaringan konduktif MWCNT di seluruh film, dan karenanya nilai konduktivitas listrik menurun [42]. Hal ini pada dasarnya disebabkan oleh efek peningkatan resistansi kontak [43, 44]. Di antara berbagai film yang disintesis, GP10C menunjukkan nilai resistansi 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 π . yang kuat -π penggabungan antara rGO dan MWCNT yang meningkatkan lebih banyak delokalisasi karier muatan seluler antara densitas elektronik keduanya [45].

a Resistensi ohmik kertas rGO dan rGO/MWCNT dengan konten MWCNT 5, 10, dan 15 wt.%, dan b konduktivitas listrik yang sama

Kinerja Elektrokimia Film GP10C dalam Berbagai Elektrolit Alkali

Pengukuran sifat elektrokimia film GP10C dilakukan dalam elektrolit berair melalui CV, GCD, dan EIS pada suhu kamar. Elektrolit adalah salah satu faktor terpenting yang sangat mempengaruhi sifat elektrokimia superkapasitor. Oleh karena itu, untuk menemukan elektrolit alkalin yang paling cocok untuk elektroda film, kami menyelidiki kinerja elektrokimia elektroda GP10C dalam tiga elektrolit basa yang paling umum digunakan. , yaitu, KOH, NaOH, dan LiOH, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 6. Untuk elektrolit yang berbeda, kurva CV menempati area yang berbeda (Gbr. 6a). Terlihat jelas, kurva CV GP10C hampir berbentuk persegi panjang dan menempati area yang lebih besar di KOH daripada di NaOH dan LiOH bila diukur pada laju pemindaian 50 mVs −1 . Pada Gambar 6b, kurva GCD GP10C pada rapat arus 3 Ag −1 menunjukkan waktu pengosongan yang lebih lama dalam KOH dibandingkan dengan elektrolit NaOH dan LiOH. Hal ini jelas dari Persamaan. (2) bahwa waktu pengosongan lebih lama (Δt ), semakin tinggi SC. Oleh karena itu, kami memperoleh SC lebih tinggi dalam 2 M KOH dibandingkan dengan 2 M LiOH dan elektrolit NaOH (Gbr. 6c). Asimetri yang diamati pada kurva GCD (Gbr. 6b) muncul karena terjadinya beberapa reaksi faradik pada permukaan film komposit. Fenomena ini dapat dianggap berasal dari gugus fungsi yang mengandung oksigen yang melekat pada lembaran rGO dan MWCNT yang difungsikan. EIS pada dasarnya digunakan untuk mengeksekusi kinerja elektrokimia film dalam hal transfer ion dan konduktivitas listrik. Plot Nyquist GP10C dalam elektrolit yang berbeda diperiksa dalam rentang frekuensi dari 0,1 Hz hingga 100 KHz dengan amplitudo ac 5 mV (Gbr. 6d). Plot Nyquist dari GP10C pada dasarnya berisi dua komponen utama (bagian nyata Z dan bagian imajiner Z ) mewakili bidang kompleks di mana Z′ menunjukkan perilaku Ohmik; di sisi lain, Z″ menunjukkan perilaku kapasitif dari elektroda film. Secara teoritis dapat dijelaskan melalui tiga wilayah yang bergantung pada frekuensi, yaitu wilayah frekuensi tinggi (busur impedansi), wilayah frekuensi rendah, dan wilayah frekuensi menengah (impedansi Warburg).

Kinerja elektrokimia film GP10C dalam KOH, LiOH, dan NaOH berair yang berbeda dalam elektrolit 2 M, a Kurva CV pada 50 mVs −1 , b Kurva GCD pada 3 Ag −1 , c SC yang dihitung dari kurva GCD, dan d Plot Nyquist di berbagai elektrolit dengan sisipan yang menunjukkan wilayah yang diperbesar

Superkapasitor bekerja mirip dengan resistor murni pada rentang frekuensi yang lebih tinggi, sementara pada frekuensi yang lebih rendah, peningkatan tajam pada bagian imajiner dan garis hampir vertikal diamati, menunjukkan perilaku kapasitif murni. Wilayah frekuensi tengah mewakili interaksi antara ion elektrolitik dan situs aktif berpori dari elektroda film. Selanjutnya, dalam EIS, resistansi ionik elektrolit, resistansi internal kolektor arus dan bahan aktif, dan resistansi kontak antarmuka kolektor arus elektroda memainkan peran kunci untuk mengetahui resistansi seri efektif (ESR) atau resistansi larutan (Rs). Di wilayah frekuensi tinggi kurva Nyquist, ESR dapat diamati dengan 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). Perlu juga dicatat bahwa diameter busur setengah lingkaran di wilayah frekuensi tinggi dan panjang garis miring pada sudut 45° di wilayah frekuensi tengah masing-masing mewakili resistansi difusi dan resistansi Warburg. Dalam hal ini, GP10C menunjukkan resistensi difusi yang lebih kecil dan resistensi Warburg di KOH, jika dibandingkan dengan LiOH dan NaOH [46, 47]. Performa yang sangat baik dari elektroda GP10C dalam KOH dapat dikaitkan dengan radius ionik terhidrasi yang lebih kecil dan konduktivitas ionik K + yang lebih tinggi. ion (64.3 Ohm −1 cm 2 mol −1 ) dibandingkan dengan Na + (43,5 Ohm −1 cm 2 mol −1 ) dan Li + (33,5 Ohm −1 cm 2 mol −1 ) ion. Di sisi lain, mobilitas ionik ditingkatkan dengan radius ionik terhidrasi yang lebih rendah dari K + ion memperoleh akses ke permukaan elektroda, menghasilkan peningkatan kinerja elektrokimia dari elektroda GP10C [48, 49]. Penjelasan langsung tentang K + , Na + , dan Li + ion dengan jari-jari ionik terhidrasi, masing-masing 232, 276, dan 340 pm, ditunjukkan pada Gambar. 7. Daripada faktor luar, jari-jari ionik nyata ditemukan berbanding terbalik dengan gaya Coulomb berdasarkan rumus F = KQ 1 T 2 /r 2 , di mana F adalah gaya Coulomb, r adalah jarak antara dua muatan (Q 1 dan Q 2 ), dan K adalah konstanta Coulomb. Jari-jari ion mengikuti orde rK+ (= 138 pm) > rNa + (= 102 pm) > r Li + (= 76 pm), jadi gaya Coulomb mengikuti orde K + < Na + < Li + . Gaya Coulomb yang lebih besar akan bersatu dengan jumlah molekul air yang lebih banyak, membuat jari-jari ionik terhidrasi lebih besar [50, 51], oleh karena itu, K + ion memiliki jari-jari ionik terhidrasi yang lebih rendah. On the basis of the above results and discussion, KOH aqueous electrolyte is found as a mostly suitable electrolyte among the three studied electrolytes for the rGO/MWCNT film electrode.

Schematic diagram of hydrated ionic radii of the ions associated with different electrolytes used for GP10C electrode measurement

Electrochemical Performance of rGO/MWCNT Films

We also investigated the effect of MWCNT addition on the electrochemical performance of rGO/MWCNT films in a three-electrode setup with 2 M KOH electrolyte. Figure 8a depicts the CV curves of as-synthesized rGO, GP5C, GP10C, and GP15C film electrodes recorded at a scan rate of 50 mVs −1 in the potential range − 0.9 to 0.0 V. Evidentially, in comparison to GP, GP5C, and GP15C, the CV curve of GP10C occupies the larger area, and it belongs to nearly rectangular shape, implying the electrical double-layer (EDL) capacitive behavior of this electrode with higher SC value [52]. Figure 8b represents the GCD curves of all the films recorded at 1 Ag −1 in the potential range − 0.9 to 0.0 V. Furthermore, similar to CV results, the charge/discharge curves being nearly triangular in shape also verify the electrical double-layer capacitor (EDLC) behavior of the film electrodes. Here, it is clear that the GP10C has significantly longer discharge time (∆t ), and hence higher SC among the synthesized films. The values of CVs calculated from the GCD curves using Eq. (2) as function of discharge current densities are shown in Fig. 8c. The GP10C exhibits specific capacitances of 200, 161, 147, 137, 134, 123, 120, and 114 Fg −1 at 0.25, 0.5, 1, 2, 3, 5, 7, and 10 Ag −1 , respectively, and it is able to maintain ~ 57% of its initial capacitance value (200 Fg −1 ) from 0.25 to 10 Ag −1 . The specific capacitance of rGO increases significantly after the addition of MWCNTs, which is obvious from the electrochemical performances of GP5C and GP10C samples. The improved electrochemical performances of the composite can be ascribed to the fact that CNTs prevent the restacking of rGO sheets and hence facilitate the electrolytic ions to move deeper into the film samples. As the amount of CNTs is increased beyond the optimum value, specific capacitance decreases, which can be ascribed to the limited dispersibility and poor specific capacitance (~ 20 F/g) of MWCNTs [53, 54].

Electrochemical performance of rGO, GP5C, GP10C, and GP15C electrodes in 2 M KOH electrolyte, a CV curves at the scan rate of 50 mVs −1 , b GCD curves at the current density 1 Ag −1 , c CV as determined from GCD curves, and d Nyquist plots comparison of all the papers

Moreover, the specific capacitance of all the synthesized films decreases with an increase in the current density because the diffusion of electrolytic ions into the film electrodes becomes slower at higher current density values. Figure 8d shows the Nyquist plots of all the electrodes, indicating that with an increase of MWCNT content, internal resistance starts to decrease. The internal resistance is the Ohmic resistance, which consists of ionic resistance of electrolyte, inherent resistance of substrate and active electrode material, and contact resistance at the active electrode material and substrate interface. GP10C film electrode demonstrates the smallest internal resistance (1.14 Ω), while the internal resistances for rGO, GP5C, and GP15C are found to be about 2.2, 1.41, and 1.19 Ω, respectively. The smaller value of internal resistance for GP10C film can be ascribed to the better contact and its higher electrical conductivity. The “knee” frequency is defined as the highest frequency value at which impedance of the system is dominated by the capacitive nature [55]. It is related to the diffusion coefficient and effective diffusion length of the active electrode material. Further, at the frequencies higher than knee frequency, the electrolytic ions come across semi-infinite diffusion and finite diffusion at the frequencies lower than this [56, 57]. The knee frequency values for GP5C, GP10C, and GP15C are 1.37, 1.49, and 1.10 Hz, respectively. The higher knee frequency value for GP10C implies that lesser time is required by the charge species to accumulation at the interface for this sample. Further, it is well documented that larger semicircle at higher-to-medium frequency region corresponds to the larger charge-transfer resistance (Rct) [31, 58]. The Rct for GP15C film seems to be quite higher than that of GP10C, that may be due to its lower electrical conductivity and higher contact resistance with aqueous electrolyte [59].

Further, EIS data can be used to find out the relaxation time constant (τ 0 ) of the devices like supercapacitors in terms of complex power with the help of Eqs. (8) and (9). Relaxation time constant (τ 0 ) is an important parameter and considered as a factor of merit for a supercapacitor. To determine the relaxation time constant, normalized imaginary factor (|Q |/|S |) and real factor (|P |/|S |) of power are plotted vs. frequency (in logarithmic scale) (Fig. 9). Both these two curves cross each other at a point called resonance frequency (f ° ), which is utilized to calculate the relaxation time of a supercapacitor using the following formula:τ 0  = 1/2πf 0 [49]. From the graphs, we observe that at a higher frequency, |P |/|S | attains maximum value, which implies maximum power dissipates in the system, i.e., supercapacitor behaves similar to pure resistor. As the frequency decreases, |P |/|S | decreases up to a point at which |Q |/|S | attains the highest value. At this point, supercapacitor works similar to a pure capacitor. Evidently, for all the tested films GP(rGO), GP5C, GP10C, and GP15C, both the |P|/|S| and |Q|/|S| curves act contrarily with frequency variation and cross each other at resonance frequency (f ° ). The relaxation time constant values for GP, GP5C, GP10C, and GP15C as calculated using resonance frequencies are 1.3 s, 196 ms, 194 ms, and 378 ms, respectively. After adding MWCNTs in the rGO film, relaxation time decreases remarkably. This may be due to the fact that CNTs prevent the restacking of rGO sheets and hence allow the electrolytic ions to move faster into the film. As the amount of MWCNTs increases further (15 wt%) in the rGO film, increment in the relaxation time constant is observed. This can be ascribed to the smaller diameter of MWCNTs (10–20 nm) that offers higher ionic diffusion resistance, which become significant as the amount of MWCNTs is increased beyond optimum value [60, 61]. EIS results can also be used to determine the diffusion coefficients of the synthesized films for electrolytic ions (Fig. 9d). The calculated diffusion coefficients (D a ) of electrolytic ions at the interfacial region using Eq. (7) come out to be 1.0112 × 10 −13 , 8.0286 × 10 −9 , 7.8457 × 10 −9 , and 2.1919 × 10 −9 for GP, GP5C, GP10C, and GP15C, respectively, in 2 M KOH. It can be seen that the relaxation time constant and diffusion coefficient of GP5C and GP10C are almost the same, but the Cs and rate capability of GP10C is much better than those of GP5C. The small relaxation time constant and high diffusion coefficient of GP10C film electrode, allow it to deliver stored energy quickly, and high specific capacitance make it desirable for engineering high-power capacitors.

ac are the normalized real part |P|/|S| and imaginary part |Q|/|S| of the complex power as a function of frequency for GP, GP5C, and GP10C, respectively, and d Randles plots of all the synthesized electrodes

From the above results, GP10C film-based supercapacitor electrode exhibits the best electrochemical properties among the synthesized films. Therefore, we investigate its electrochemical performance in detail. Figure 10a indicates the CV curves of GP10C at 5, 10, 25, 50, and 100 mVs −1 in the potential range − 0.9 V to 0.0 V vs Ag/AgCl reference electrode. It is shown that all the CV curves possess almost rectangular and symmetric shape, indicating the perfect EDL capacitive behavior and fast charging/discharging characteristics. The inset in Fig. 10a shows nearly a linear relationship between average peak current and the square root of the scanning rate with correlation coefficient R 2  = 0.98878. This phenomenon indicates that the electrochemical process in the film is a diffusion-controlled process [62]. Figure 10b represents the GCD curves of GP10C evaluated at 0.25 to 10 Ag −1 in − 0.9 to 0.0 V. During the charge/discharge process, the corresponding curves also verify that the charging curve of GP10C is almost symmetric to its corresponding discharging curve. To evaluate the durability of the GP10C, the long cycle test was carried out in 2 M KOH electrolyte at 2 Ag −1 . Figure 10c depicts the long cycle stability, which is another important parameter to examine the electrochemical performance of an electrode material. After 15,000 cycles, GP10C electrode exhibits excellent retention of 92.5%. The inset in Fig. 10c shows first and last 5 successive cycles. It demonstrates that even after 15,000 cycles, the electrode maintains good symmetric charge/discharge characteristic features, which verify its excellent electrochemical durability. Figure 10d represents the Nyquist plots of the GP10C electrode recorded during long cycle test. It can be observed that the value of internal resistance goes higher during cycling process from the first cycle to 15,000 cycles. GP10C electrode shows lowest internal resistance (1.12 Ω) during the first cycle and after 10,000 and 15,000 cycles, as the electrochemical active sites in the electrode are slowly consumed, the values of internal resistance increases from 2.64 to 3.04 Ω, respectively. As a consequence of it, CV value decreases slowly and repeatedly during electrochemical cycling (Fig. 10c). Furthermore, to find out any morphological changes in the GP10C film electrode after long cycle test, we performed ex situ studies (FESEM and TEM), and the results are shown in Fig. 11. Figure 11a shows the TEM images of GP10C electrode before the long cycle test, while Figs. 11b and c represent the FESEM and TEM images of the GP10C after 15,000 cycles. We can see that the morphology of the GP10C electrode does not change even after 15,000 cycles, which reveals the sustained chemical stability of the film. The observed capacitance of GP10C film electrode is higher than those of several recently reported free-standing graphene-based supercapacitor electrodes as shown in Table 1.

Electrochemical performance of GP10C in 2 M KOH electrolyte a CV curves at the scan rate of 5, 10, 25, 50, and 100 mVs −1 ; b GCD curves at the current densities of 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 5.0, 7.0, and 10 Ag −1 ; c cyclic stability performance for GP10C electrode at 2 Ag −1 and inset shows the GCD curves of first and last 5 cycles; dan d Nyquist plot for the GP10C and inset shows the EIS performance during 1st, 10,000 and 15,000 cycles

a TEM images of the CP10C electrode before long cycle test and b FESEM and c TEM images of the CP10C after 15,000 cycles

Electrochemical Performance of Symmetrical Supercapacitor

Further, to investigate the practical application of the GP10C film, we made a symmetric coin cell supercapacitor using two GP10C electrodes of identical weight separated by a separator in 2 M KOH aqueous electrolyte. Figures 12a and b show the CV profiles of the device at the scan rates of 2, 5, 10, 15, 25, 50, 75, and 100 mVs −1 . We can observe nearly identical rectangular shape, which implies the perfect EDLC behavior of the supercapacitor. Figure 12c represents the linear GCD curves at all current densities demonstrating the high rate response of the device. Moreover, the smaller internal resistance (0.4 Ω) of the coin cell indicates better charge transportation in the supercapacitor (Fig. 12d). The calculated specific capacitances from CVs of the device (Fig. 12e) are 53, 51, 49.8, 48, 46.7, and 45 Fg −1 at 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, and 1.0 Ag −1 , masing-masing. From the capacitance profile (Fig. 12e), it is clearly shown that the device retains 85% of its initial capacitance value at current density 0.1 Ag −1 up to 1 Ag −1 , i.e., good rate capability. Additionally, we calculate the energy density (Whkg −1 ) and power density (Wkg −1 ) of the device using equations given below [8, 9]:

$$ E=\frac{\mathrm{Cs}}{2\times 3.6}{\left(\Delta V\right)}^2 $$ (8) $$ P=\frac{E}{\Delta t}\times 3600 $$ (9)

Electrochemical performance of GP10C/KOH/GP10C symmetrical coin supercapacitor cell a , b CV curves of GP10C/KOH/GP10C coin cell at 2, 5, 10, 15, 25, 50, 75, and 100 mVs −1 , c Nyquist plot, d GCD curves of the device at different current densities, e SC at different current densities, f Ragone plot

where Cs is the SC calculated from the GDC curves, ∆V is the potential window, t is the discharge time (s).

The device exhibits maximum and minimum energy densities of 29.4 and 25.0 Whkg −1 at power densities of 439 and 4500 Wkg −1 , respectively (Fig. 12f).

This symmetric device shows excellent retention of ~ 85% and columbic efficiency of 92% after 10,000 successive cycles at 0.3 Ag −1 (Fig. 13a). The excellent cyclability of the device can be ascribed to the electrochemical stability of the active electrode material. In the GP10C nanocomposite film, the optimum amount of MWCNTs mainly prevents the restacking of rGO sheets and thus offers a more exposed area to the electrolytic ions for surface adsorption. This also strengthens the material structure to resist the structural deformation upon cycling. The ex situ TEM and FESEM micrographs of the tested electrode after 15,000 cycles (Fig. 11a–c) verify the behavior that the morphology of GP10C electrode remains the same even after 15,000 cycles, which reveals the sustained chemical stability of the synthesized composite film. The inset in Fig. 13a shows the GCD profiles of 1st, 5000th, and 10,000th charge-discharge cycles, indicating the symmetric charge/discharge characteristic features of the device. The high retention at even after 10,000 continuous long cycles verifies its outstanding electrochemical durability. Figure 13b depicts the Nyquist plots of the device during long cycle test, implies that with repeated cycles, the Warburg region in the middle frequency region is increasing. It can be attributed to the consumption of active sites presented in the active material of the supercapacitor electrodes during a long cyclic test, which results in an increase of the internal resistance of the device. The inset (Fig. 13b) shows that our symmetric coin cell can light up a red LED. Further, our designed FSSSD using GP10C flexible film electrodes and gel electrolyte depicts no significant changes in the shape of CV curves when bending the device at angles from 0 to 180° at a scan rate of 20 mVs −1 (Fig. 13c). Digital photographs of the device under the bending angles 0°, 60°, 90°, and 180° are shown in Fig. 13d–g, respectively.

The long cycle performance of GP10C/KOH/GP10C symmetrical coin cell. a Cyclic stability and columbic efficiency recorded at 0.3 Ag −1 for 10,000 successive cycles, and inset shows the GCD profiles of 1st, 5000th and 10,000th GCD cycles. b Nyquist plots recorded just after 1st, 5000th and 10,000th cycles, and inset shows a red LED light up by single coin cell. c The CV curves at a scan rate of 20 mVs −1 of symmetrical solid state flexible device using gel polymer electrolyte under different bending angles. Digital photographs of the device under different bending angles, d 0°, e 60°, f 90°,and g 180°, respectively

The above results prove the potential applications of our synthesized GP10C film for the supercapacitors. Moreover, this facile approach may open future prospects for energy storage devices application.

Kesimpulan

In summary, simple and cost-effective rGO/MWCNT flexible film electrodes were synthesized via simplest chemical route. The effects of MWCNT addition on the electrochemical performance of rGO/MWCNT nanocomposite films were investigated in different alkaline electrolytes, KOH, LiOH, and NaOH. Based on experimental findings, GP10C exhibits the best electrochemical performance in 2 M KOH with SC of 200 Fg −1 . This synthesized film electrode demonstrates excellent durability with 92% retention after 15,000 long cycle test, small relaxation time constant (~ 194 ms), and high diffusion coefficient (7.8457 × 10 −9 cm 2 s −1 ) in 2 M KOH aqueous electrolyte. The superior electrochemical performance of GP10C can be attributed to the smaller hydration sphere radius and higher ionic conductivity of K + cations. The symmetric coin supercapacitor cell using GP10C as both anode and cathode and 2 M KOH as electrolyte exhibits perfect EDLC behavior with maximum energy and power densities of 29.4 Whkg −1 and 4500 Wkg −1 , masing-masing. Our symmetric cell demonstrates excellent retention of 85.3%, and columbic efficiency of 92% after 10,000 successive cycles at 0.3 Ag −1 . Further, the designed FSSSD using GP10C flexible film electrodes and gel electrolyte depicts no significant changes in the shape of CV curves when bending the device at angles from 0 to 180° at 20 mVs −1 . We believe that our rGO/MWCNT nanocomposite film is suitable for practical applications and appropriate for designing high capacitive energy storage (supercapacitors or Li-batteries), conversion, and wearable devices.

Ketersediaan Data dan Materi

All data and materials are fully available without resection.

Singkatan

TARUHAN:

Brunauer-Emmett-Teller

CV:

Voltametri siklik

EDLC:

Electrical double-layer capacitor

EIS:

Spektroskopi impedansi elektrokimia

FESEM:

Field-emission electron microscope

GCD:

Galvanostatic charge/discharge

PERGI:

Grafena oksida

GP:

rGO/MWCNT film with 0% CNT ratio

GP10C:

rGO/MWCNT film with 10% CNT ratio

GP15C:

rGO/MWCNT film with 15% CNT ratio

GP5C:

rGO/MWCNT film with 5% CNT ratio

HI:

Hydriodic acid solution

MWCNT:

Multiwall carbon nanotubes

PVA:

Polyvinyl alcohol

rGO:

Grafena oksida tereduksi

SC:

Specific capacitance

TEM:

Mikroskop elektron transmisi

TGA:

Alat analisis termogravimetri

XRD:

difraksi sinar-X


bahan nano

  1. Sorotan Aplikasi:Pencetakan 3D Untuk Bantalan
  2. Sorotan Aplikasi:Pencetakan 3D untuk Alas Kaki
  3. Kemajuan dan Tantangan Nanomaterial Fluorescent untuk Sintesis dan Aplikasi Biomedis
  4. Komposit Grafena dan Polimer untuk Aplikasi Superkapasitor:Tinjauan
  5. Synthesis of Reabsorption-Suppressed Type-II/Type-I ZnSe/CdS/ZnS Core/Shell Quantum Dots dan Aplikasinya untuk Immunosorbent Assay
  6. Metode Pasca Perawatan untuk Sintesis Nanopartikel FePt-Fe3O4 Biner Monodisperse
  7. Sintesis Hijau InP/ZnS Core/Shell Quantum Dots untuk Aplikasi di Dioda Pemancar Cahaya Bebas Logam Berat
  8. Sintesis Nanokristal ZnO dan Aplikasinya pada Sel Surya Polimer Terbalik
  9. Perlakuan UV Film Tembaga Nanowire Mesh Fleksibel untuk Aplikasi Konduktor Transparan
  10. Sintesis Pemanasan Padat-State Poli (3,4-Ethylenedioxythiophene)/Emas/Grafena Komposit dan Aplikasinya untuk Penentuan Amperometrik Nitrit dan Iodat