Synthese en supercondensatorprestaties van met polyaniline/stikstof gedoteerde mesoporeuze koolstofcomposieten

Resultaten en discussie

Het syntheseproces van PANI/NOMC-x wordt getoond in Fig. 1a. Resol en cyanamide werden in SBA-15 geïnjecteerd en vervolgens werden de hybriden gecarboniseerd bij 800 °C, en vervolgens werden de hybriden toegevoegd aan de waterige HF-oplossing (10 gew.%) om de tempel te verwijderen om de PANI/NOMC- x . De morfologieën van NOMC en PANI/NOMC-x worden ook getoond in Fig. 1. SEM-afbeeldingen van een typisch monster van NOMC (Fig. 1b, c) en PANI/NOMC-0.5 (Fig. 1e, f) laten zien dat NOMC en PANI/NOMC-0.5 uit veel cilindrische deeltjes bestaan met uniforme maten van 1 m. De coatinglagen op het oppervlak van PANI/NOMC-0.5 duiden op de succesvolle coating van PANI op het oppervlak van NOMC. Het TEM-beeld van NOMC (Fig. 1d) geeft duidelijk uniforme streepachtige gerangschikte afbeeldingen weer en de streepafstand is ongeveer 3 nm. Na het coaten met PANI kunnen we ook de uniforme streepachtige gerangschikte afbeeldingen zien in het TEM-beeld van PANI/NOMC-0.5 (Fig. 1g en aanvullend bestand 1:Figuur S3), wat aangeeft dat het coaten met PANI de poriestructuur niet zou veranderen van NOMC.

Schema voor de fabricage van PANI/NOMC-x (een ). SEM-afbeeldingen van NOMC (b , c ) en PANI/NOMC-0.5 (e , v ). TEM-afbeeldingen van NOMC (d ) en PANI/NOMC-0.5 (g ). FT-IR-spectra (h ) en XRD-patronen (i ) van NOMC en PANI/NOMC-0.5

De FT-IR-spectra van NOMC en PANI/NOMC-x worden weergegeven in Afb. 1h en Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1. Het kan de karakteristieke adsorptiepiek van PANI zien op 1120 cm ⁻¹ en die van PANI/NOMC-x op 1300 en 1496 cm ⁻¹ , respectievelijk. Deze pieken kunnen worden toegeschreven aan de rektrilling van N=Q=N, C–H en C=C van benzenoïde-eenheden. Naarmate de massaverhouding van PANI toeneemt, neemt de intensiteit van deze pieken sterk toe (aanvullend bestand 1:figuur S1), wat verder aangeeft dat PANI met succes op NOMC is gecoat. Uit de XRD-patronen van NOMC en PANI/NOMC-0.5 (Fig. 1i) kunnen we zien dat NOMC en PANI/NOMC-0.5 atypische koolstof zijn, wat suggereert dat de coating van PANI de structuur van NOMC niet zou veranderen. De XPS-resultaten toonden de atomaire omgevingen en inhoud van C, N en O in NOMC en PANI/NOMC-x (Fig. 2 en Tabel 1). Zoals bekend zijn de zuurstof/stikstof-functionaliteiten gebaseerd op O_1s spectra (524–540 eV) en N_1s spectra (ongeveer 400 eV) zijn erg enkelvoudig, waardoor we het O- en N-gehalte van de composieten kunnen berekenen, maar niet de manier van combineren van C, O en N weerspiegelen. De C_1s spectra worden geanalyseerd om de omgeving van C-, N- en O-atomen weer te geven. Voor de C_1s spectra van NOMC, de C₁ (248,8 eV) kan worden toegeschreven aan de π-π*-overgang in C=C sp ² gedelokaliseerde obligaties, en C₂ weerspiegelt de bindingen van C=O van carbonyl of carbonzuur [22]. Zoals eerdere rapporten, zijn de N-elementen in vijf soorten gepast:pyridine-stikstofsoorten bij 398,4 eV, aminostikstofsoorten bij 399,3 eV, pyrrolische stikstofsoorten bij 400,2 eV en de soorten bij 401,1 en 403,5 eV toegewezen aan grafiet en N ⁺ –O ⁻ stikstof, respectievelijk [23]. Bijna alle N_1's soorten NOMC bij 400,8 eV waren zeer dicht bij de grafietstikstofsoorten van 401,1 eV (Fig. 2 en Tabel 1). Daarom kan het synthesemechanisme van NOMC als volgt worden gespeculeerd:de thermische ontleding van C- en N-atomen uit resol en nitrilammoniak kan worden gecarboniseerd tot NOMC via de template van SAB-15 bij hoge temperatuur (800 ° C) met de vorming van de hoge stabiele bindingen van grafietstikstof (C-N) [24, 25]; ondertussen kan de vorming van C=O worden toegeschreven aan het bestaan ​​van O-atomen van resol; hoe dan ook, vergeleken met de enkele OMC's, zullen de N-gedoteerde OMC's een groot oppervlak hebben met een hoge mesoporositeit en dus een specifieke capaciteit en goede snelheidscapaciteit [19]. Bovendien, met de massaverhouding van PANI in PANI/NOMC-x toenemend, de inhoud van C₁ gedaald van 62,60 naar 39,83% en die van C₂ nam geleidelijk toe (tabel 1), wat aangeeft dat de bindingen van C=C braken tijdens de productie van de composieten, wat de PANI/NOMC-x informeerde wordt met succes verder gesynthetiseerd. Wat meer is, volgens het N-gehalte van PANI/NOMC-x toeneemt, is er meer PANI gecoat op het oppervlak van NOMC met een toenemende massaverhouding. Interessant is dat wanneer de massaverhouding van PANI toenam tot 0,5 tot 4, het O-gehalte van PANI/NOMC-x plotseling toegenomen; men zou kunnen redeneren dat de overmaat PANI reageerde met persulfaat tijdens de productie van composieten, en vervolgens werd het gereageerde product gecoat op het oppervlak van NOMC; het verhoogde O-gehalte voor PANI/NOMC-x kan van invloed zijn op hun elektrochemische prestaties. Bovendien is de INZET van NOMC en PANI/NOMC-x werden uitgevoerd door middel van stikstofadsorptie-desorptie-isotherm-experimenten bij een temperatuur van -200 ° C (Fig. 3 en Aanvullend bestand 1:Figuur S3); de INZET-oppervlakte van NOMC, PANI/NOMC-0.2, PANI/NOMC-0.5, PANI/NOMC-1, PANI/NOMC-2 en PANI-NOMC-4 zijn 1051.31, 530.20, 209.39, 178.10, 26.15 en 18.05 m ² /g respectievelijk, en de adsorptie gemiddelde poriegrootte daarvan zijn respectievelijk 2,82, 3,00, 2,12, 2,61, 10,23 en 31,30 nm. Het afnemende BET-oppervlak voor de composieten kan het gevolg zijn van de coating van PANI op het oppervlak van NOMC. De grotere poriegrootte voor PANI/NOMC-4 dan die voor PANI en PANI/NOMC-0.5 kan worden verklaard dat de coating PANI de poriën van NOMC blokkeert en dat het blokkeringseffect ernstiger is naarmate het gehalte aan PANI toeneemt tot de poriën van de NOMC zijn volledig geblokkeerd; daarom kan de grotere poriegrootte van PANI/NOMC-4 de ruimte zijn tussen de gecoate PANI, en dit resultaat kwam overeen met de capaciteitsveranderingen van PANI/NOMC-x in het volgende onderzoek.

XPS-spectra van C_1s , N_1s , en O_1s voor NOMC (a ), PANI/NOMC-0.5(b ), en PANI/NOMC-4 (c )

N₂ adsorptie-desorptie-isothermen van NOMC, PANI/NOMC-0.5 en PANI/NOMC-4 (a ). Poriëngrootteverdeling van NOMC, PANI/NOMC-0.5 en PANI/NOMC-4 (b )

De elektrochemische prestaties van NOMC en PANI/NOMC-x werd geëvalueerd met behulp van een cyclische voltammetrie (CV) methode. Zoals weergegeven in Fig. 4a, NOMC en PANI/NOMC-x presenteren een ongeveer rechthoekige CV-vorm met een scansnelheid van 0,1 V / s, wat het typische kenmerk is van een dubbellaagse condensator. Voor PANI/NOMC-x , vertoont de CV-curve twee paar redoxpieken vanwege de redox-overgang van PANI tussen structurele omzettingen van leucoemeraldine/emeraldine/pernigraniline [11]. Afbeelding 4b toont de galvanostatische laad-ontlaadcurven van NOMC en PANI/NOMC-x elektroden gemeten bij een stroomdichtheid van 1 A/g. De specifieke capaciteit van NOMC, PANI/NOMC-0.2, PANI/NOMC-0.5, PANI/NOMC-1, PANI/NOMC-2 en PANI/NOMC-4 berekend op basis van de ontlaadcurves zijn 137,6, 211,2, 258,9, 244,5, respectievelijk 143,6 en 53,0 F/g. Met de toename van de massaverhouding van PANI, wordt de specifieke capaciteit van PANI/NOMC-x was eerst stijgend en toen dalend. Het kan zijn dat minder PANI faraday-pseudocapaciteit zal leveren om de specifieke capaciteit van PANI/NOMC-x te vergroten , maar met meer PANI gecoat op NOMC, zal de poriestructuur worden geblokkeerd om het BET-oppervlak van composieten te verkleinen en vervolgens geleidelijk tot de lagere specifieke capaciteit te leiden. Afbeelding 4c toont de Nyquist-plot van NOMC en PANI/NOMC-x . Alle PANI/NOMC-x materialen vertonen een kleine halve cirkel in het hoogfrequente gebied, die wordt veroorzaakt door de ladingsoverdrachtsweerstand op het grensvlak tussen de elektrode en de elektrolyt, wat aangeeft dat PANI/NOMC-x composieten hebben een goede elektrische geleidbaarheid. In het laagfrequente gebied is de helling van al deze curven erg groot; het kan PANI/NOMC-x . aangeven hebben geweldige capacitieve prestaties volgens het rapport [22]. Afbeelding 4d toont de specifieke capaciteit van NOMC en PANI/NOMC-x in verschillende stroomdichtheden. Met de toename van de stroomdichtheid neemt de specifieke capaciteit van NOMC en PANI/NOMC-x neemt langzaam af. Wanneer de stroomdichtheid 25 keer toenam van 0,2 tot 5 A/g, wordt de specifieke capaciteit van PANI/NOMC-0,5 alleen verlaagd van 265,3 naar 215,5 F/g (ongeveer 81,2% behouden), wat aantoont dat PANI/NOMC-0,5 goede snelheidsprestaties heeft .

CV-curven van NOMC en PANI/NOMC-x met een scansnelheid van 0,1 V/s (a ) Galvanostatische laad-/ontlaadcurven van NOMC en PANI/NOMC-x bij een stroomdichtheid van 1 A/g (b ). Nyquist-plots van NOMC en PANI/NOMC-x (c ). Specifieke capaciteit van NOMC en PANI/NOMC-x elektroden met verschillende stroomdichtheden (d ). 0,6 M KOH werd gebruikt als elektrolyt voor alle tests

CV-curven van NOMC en PANI/NOMC-x met verschillende scansnelheden worden weergegeven in figuur 5a en aanvullend bestand 1:figuur S2 a, c, e en g. Het kan zien dat de CV-curve van NOMC een ongeveer rechthoekige vorm heeft bij alle scansnelheden, wat aangeeft dat de capaciteit van NOMC dubbele elektrodelaagcapaciteit is. Na coating met PANI zijn er redoxpieken in de CV-curven van PANI/NOMC-x wat aantoont dat de capaciteit van PANI/NOMC-x wordt bepaald door de capaciteit van de dubbele elektrodelaag en de faraday-pseudocapaciteit. Afbeelding 5b en aanvullend bestand 1:Afbeelding S2 b, d, f en h tonen de galvanostatische laad-/ontlaadcurven van NOMC en PANI/NOMC-x . Het kan worden opgemerkt dat PANI/NOMC-0.5 de grootste specifieke capaciteit heeft in vergelijking met andere materialen. De fietsprestaties van NOMC en PANI/NOMC-0.5 worden getoond in Fig. 5c. Het is gemakkelijk te zien dat NOMC uitstekende cyclusprestaties heeft voor de capaciteit die ongeveer 95% behoudt na 5000 cycli, wat beter is dan die van PANI/NOMC-x composieten. Interessant is dat PANI/NOMC in alle cyclische processen een grotere specifieke capaciteit heeft dan die van NOMC. De Ragone-grafieken van NOMC en PANI/NOMC worden getoond in Fig. 5d, en de resultaten zijn als volgt:de energiedichtheid van PANI/NOMC-0.5 nam nauwelijks af naarmate de vermogensdichtheid toenam, wat ongebruikelijk is voor andere rapporten [20, 21 ], en het gedetailleerde mechanisme moet in de toekomst verder worden onderzocht. Hoe dan ook, de resultaten van dit werk zijn van groot belang om de toepassing van supercondensatoren in de industrie te realiseren.

CV-curven van PANI/NOMC-0.5 (a ). Galvanostatische laad-/ontlaadcurven van PANI/NOMC-0.2 (b ). De fietsprestaties van PANI/NOMC-0,5 in 6 M KOH bij 5 A/g ongeveer 5000 cycli (c ). De Ragone-plots van NOMC en PANI/NOMC-x (d )