Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Synthese van vrijstaande flexibele rGO/MWCNT-films voor symmetrische supercondensatortoepassing

Abstract

Hierin rapporteren we een nieuwe, eenvoudige en kosteneffectieve manier om flexibele en geleidende rGO- en rGO / MWCNT vrijstaande films te synthetiseren. De effecten van MWCNT-toevoeging op de elektrochemische prestaties van rGO / MWCNT-nanocomposietfilms worden onderzocht in enkele sterk basische waterige elektrolyten, zoals KOH, LiOH en NaOH via een systeem met drie elektroden. Het gedrag van de supercondensatoren van de films wordt onderzocht via cyclische voltammetrie, galvanostatische opladen-ontladen en elektrochemische impedantiespectroscopie. De structurele en morfologische studies van de films worden uitgevoerd door röntgendiffractometer, Raman-spectrometer, oppervlakte-analysator, thermogravimetrische analyse, veldemissie scanning elektronenmicroscoop en transmissie-elektronenmicroscoop. De rGO/MWCNT-film gesynthetiseerd met 10 wt% MWCNT's (GP10C) vertoont een hoge specifieke capaciteit van 200 Fg −1 , uitstekende cyclische stabiliteit met 92% retentie na 15.000 lange cyclustests, kleine relaxatietijdconstante (~ 194 ms) en hoge diffusiecoëfficiënt (7,8457 × 10 −9 cm 2 s −1 ) in 2 M KOH-elektrolyt. Bovendien vertoont de symmetrische supercondensator-knoopcel met GP10C als zowel anode als kathode met 2 M KOH als elektrolyt een hoge energiedichtheid van 29,4 Whkg −1 en vermogensdichtheid van 439 Wkg −1 bij stroomdichtheid 0,1 Ag −1 en goede cyclische stabiliteit met 85% behoud van de initiële capaciteit bij 0,3 Ag −1 na 10.000 cycli. Zo'n hoge prestatie van de GP10C-film in de supercondensator kan worden toegeschreven aan het grote oppervlak en de kleine straal van de hydratatiebol en de hoge ionische geleidbaarheid van K + kationen in KOH-elektrolyt.

Inleiding

Grafeen is, vanwege zijn buitengewone fysieke eigenschappen, zoals een zeer hoog specifiek oppervlak, uitzonderlijke elektrische geleidbaarheid, uitstekende mechanische flexibiliteit en ongebruikelijke thermische/chemische stabiliteit, een van de meest bestudeerde materialen in de materiaalkunde geworden na de ontdekking in 2004 [1, 2,3]. Vanwege de eerder genoemde unieke eigenschappen heeft grafeen mogelijke toepassingen gevonden in nano-elektronica [4], detectie [5], energieopslag [6], zonnecellen [7] en nanomechanische apparaten [8]. De fabricage van een uniforme film met een groot oppervlak van ongerept grafeen uit één of twee lagen is echter niet alleen moeilijk maar ook duur, wat de commerciële toepassingen ervan bij de fabricage van apparaten belemmert. Daarom gebruiken onderzoekers gereduceerd grafeenoxide (rGO), afgeleid van de chemische en/of thermische reductie van hydrofiel grafeenoxide (GO), als alternatief voor ongerept grafeen. De laatste tijd is de vraag naar goedkope, betrouwbare, draagbare en buigbare elektronische apparaten enorm toegenomen [9]. In dit opzicht zijn flexibele energieopslagapparaten (supercondensatoren en Li-ion-batterijen) het centrum van aantrekkingskracht geworden voor de wetenschappelijke wereldgemeenschap vanwege hun streven naar integratie in flexibele elektronische apparaten [10,11,12,13,14,15] . In dit opzicht zijn materialen die gemakkelijk kunnen worden omgezet in een vrijstaande papierachtige vorm zeer wenselijk. Daarom, bij het zoeken naar een dergelijk buigbaar materiaal dat goede mechanische en chemische stabiliteit bezit, uitstekende elektrische geleidbaarheid en gemakkelijk om te zetten is in dunne film met een groot oppervlak, blijkt rGO een veelbelovende en gunstige kandidaat te zijn [16, 17]. Er waren twee benaderingen om vrijstaande rGO-papierachtige film of membraan te maken. De eerste benadering omvat de directe filtratie van rGO-dispersie over specifiek filterpapier [18, 19]. De tweede benadering begint met de synthese van GO-poeder en wordt voltooid met de reductie van GO-papier tot rGO-papier, hetzij met behulp van een reductiemiddel of via uitgloeien in een inerte/reducerende omgeving [20,21,22,23]. Er is gerapporteerd dat verschillende technieken vrijstaand flexibel rGO-papier synthetiseren. Xiao et al. gefabriceerd rGO-papier door druktechniek gevolgd door CO2 borrelende delaminatiemethode en het verkregen papier toonde de specifieke capaciteit van 55 Fg −1 op 1 Ag −1 [20]. Rath et al. gesynthetiseerd rGO-papier via vacuümfiltratie van GO-suspensie en daaropvolgende reductie met waterstofjodide (HI) (55%) en verkregen de specifieke capaciteit (SC) van ~ 80 Fg −1 bij 0,5 Ag −1 [21]. Li et al. documenteerde de SC van 130 Fg −1 bij 0,1 Ag −1 voor het rGO-papier bereid door vacuümfiltratie van GO-waterige suspensie gevolgd door reductie via Zn-poeder in ammoniakoplossing [22]. Verder, Hu et al. gesynthetiseerd rGO-papier door vacuümfiltratie van GO-waterige dispersie en daaropvolgende elektrochemische reductie. Ze meldden de SC van 106 F cm −3 bij 1 mV s −1 scansnelheid [23]. Op basis van literatuurgegevens is geconcludeerd dat π -π interactie en sterke van der Waals-interacties tussen basale vlakken veroorzaken herstapeling en aggregatie van de rGO-nanobladen, wat resulteert in een kleiner oppervlak en slechte elektrochemische prestaties van het rGO-papier [24,25,26,27].

In deze studie rapporteren we een nieuwe, gemakkelijke en kosteneffectieve manier om flexibele geleidende rGO-film te synthetiseren met meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNT's) die tussen de rGO-vellen zijn geplaatst. We geven aan dat het gebruik van een geschikte hoeveelheid MWCNT's om rGO / MWCNT-nanocomposietfilm te vormen, het opnieuw stapelen van rGO-nanobladen effectief kan voorkomen, en daarom de elektrochemische prestaties van de films kan verbeteren. Een optimale hoeveelheid HI, gevolgd door gloeien bij 250°C in reducerende omgevingen (3% H2 + 97% N2 ) gedurende 2 h, wordt gebruikt voor de reductie van GO/MWCNT's tot rGO/MWCNT-films. De dikte van de films kan eenvoudig worden geregeld door het volume van de GO-dispersie af te stemmen die wordt gebruikt bij de synthese van rGO- en rGO / MWCNT-films. We onderzoeken de elektrochemische prestaties van rGO / MWCNT nanocomposiet flexibele films vervaardigd met verschillende gew% (0, 5, 10 en 15) MWCNT's. De resultaten laten zien dat de rGO/MWCNT-film, gesynthetiseerd met 10 wt% MWCNT's, een uitstekende specifieke capaciteit van 200 Fg −1 vertoont bij 0,25 Ag −1 in 2 M KOH waterige elektrolyt, hoger dan verschillende eerder gerapporteerde waarden. Als voorbereide geoptimaliseerde vrijstaande nanocomposietfilms werden gebruikt als zowel anode als kathode voor het ontwerpen van een symmetrisch supercondensatorapparaat met een hoge energiedichtheid van 29,4 Whkg −1 en goede stabiliteit met 85% retentie na 10.000 cycli in 2 M KOH waterige elektrolyt.

Methoden

Materialen

Alle chemicaliën die in deze studie werden gebruikt, waren analytische zuivere kwaliteit. Natuurlijk fijn grafietpoeder (nr. 15553, Riedel-de Haen), MWCNT's (Ctube-120, lengte 5-20 m) werden ontvangen (CNT Co., Ltd., Zuid-Korea). Waterstofzuur (57% w/w waterige oplossing) werd gekocht van Alfa Aesar. Polyvinylalcohol (PVA, MW 89.000-98.000) werd gekocht bij Sigma-Aldrich Company. Alle dispersies en oplossingen werden bereid in DI-water met een soortelijke weerstand van ten minste 18 MΩ cm bij 25°C, verkregen van het Milli-Q-waterzuiveringssysteem (Milli-Q, VS).

Bereiding van grafeenoxide

Het voorlopermateriaal, grafeenoxide (GO) werd gesynthetiseerd door de sterke chemische oxidatie van grafietpoeders in een mengsel (9:1) van H2 SO4 en H3 PO4 [28]. Het verkregen product (GO-vlokken) werd vacuüm gedroogd bij 45 °C om vocht te verwijderen.

Zuivering van MWCNT's

Vóór gebruik moeten de in de handel verkrijgbare MWCNT's (specifiek oppervlak, 40–300 m 2 g −1 ; lengte, 5-20 mm) werden gedurende 24 uur gerefluxt in 70% salpeterzuuroplossing bij 90 °C. Na reflux werd het resulterende mengsel gefiltreerd over nylon membraanfilter (0,45 urn) en gewassen met overmatige hoeveelheid DI-water totdat de pH neutraal wordt. De gefilterde vaste stof werd 24 uur in een oven bij 100°C gedroogd om gezuiverde en gefunctionaliseerde MWCNT's te verkrijgen.

Synthese en fabricage van rGO/MWCNT flexibele vrijstaande films

Om rGO / MWCNT-films te synthetiseren, werd de berekende hoeveelheid GO-vlokken goed gedispergeerd in DI-water via intense sonicatie om een ​​homogene GO-dispersie van 8 mg / ml te bereiden. Daarna werden 0, 5, 10 en 15 wt% MWCNT's afzonderlijk gemengd met een geoptimaliseerde hoeveelheid (20  mL) GO-dispersie via ~  1 h intense sonicatie. Een optimale hoeveelheid HI-oplossing, als reductiemiddel, werd druppel voor druppel aan het bovenstaande GO-MWCNT-mengsel toegevoegd. Het resulterende mengsel werd in een petrischaal met een diameter van ~ 9,5 cm gegoten en in de luchtstroom gedroogd. De gedroogde rGO/MWCNT-film kan gemakkelijk uit de petrischaal worden verwijderd in aanwezigheid van ethanol. Zo werd de verkregen vrijstaande rGO/MWCNT-film verschillende keren gewassen met ethanol om niet-gereageerde/resterende HI-oplossing te verwijderen en opnieuw gedurende 12 uur aan de lucht gedroogd bij 35°C. Ten slotte werd de aan de lucht gedroogde vrijstaande film uitgegloeid bij 250 ° C in een reducerende omgeving (3% H2 + 97% N2 ) voor 2 u. Het schema van het hele syntheseproces wordt geïllustreerd in Fig. 1. De gefabriceerde rGO/MWCNT-films met verschillende MWCNT-hoeveelheden, 0, 5, 10 en 15 wt%, worden respectievelijk GP, GP5C, GP10C en GP15C genoemd.

Schema van de synthese van rGO-, rGO/CNT-papieren en het fabricageproces van de elektroden

Vervaardiging van rGO/MWCNT-elektroden

De werkelektroden van rGO/MWCNT-films voor elektrochemische testen werden bereid door op een stuk te drukken (1 × 1cm 2 ) van gefabriceerde film op Ni-schuim met een uniforme druk van ~  10 mPa gedurende 2 min. Het gewicht van actief materiaal geladen op Ni-schuimsubstraat, zoals gemeten door de microbalans (PRECISA XR125M-FR) met een nauwkeurigheid van ~ 0,1 g, was ~ 1,1 mg. Syntheseproces en fabricage van elektroden worden getoond in Fig. 1.

Vervaardiging van GP10C-filmgebaseerde symmetrische knoopcel- en solid-state flexibele apparaten

De GP10C-elektrodegebaseerde symmetrische supercondensator is met succes ontworpen in een knoopcelconfiguratie met twee elektroden met behulp van 2 M KOH-elektrolyt. In het kort werden twee cirkelvormige GP10C-elektroden van gelijk gewicht in de CR2032-knoopcelassemblage geponst. Hier, om direct contact van de werkende elektroden te voorkomen, een separator (Glass microfiber membraan, Whatman TM ) zat ertussen. De totale massa actief materiaal in het apparaat was ~ 3,5 mg. Om de compatibiliteit van GP10C-elektrodemateriaal in een flexibel apparaat te zien, werd een flexibel solid-state symmetrisch apparaat (FSSSD) ontworpen met behulp van PVA-KOH-gelpolymeerelektrolyt. Voor de bereiding van FSSSD werd 1 g PVA opgelost in 5 mL DI-water van 85  ° C en 1  uur geroerd totdat de oplossing transparant werd, daarna werd 1 g 2 M KOH-oplossing toegevoegd aan de bovenstaande oplossing. Ten slotte liet men het mengsel 3  uur staan ​​onder continu roeren om een ​​quasi-vaste gelachtige vorm te krijgen [29]. Voor apparaatmontage, twee stukken (1 × 2cm 2 ) van GP10C-elektroden van gelijke gewichten werden bevestigd op flexibele roestvrijstalen weefsels, die de elektroden voorkomen van mechanische schokken en ze ondersteunen bij extern contact. Beide werkelektroden waren uniform gecoat met quasi-vaste gelelektrolyt. Om een ​​goede stevige gelachtige laag te krijgen, werden beide werkende elektroden aan de lucht gedroogd in een zuurkast om de toegang tot water te verwijderen, ze werden van aangezicht tot aangezicht tegen elkaar geklemd en tenslotte omwikkeld met plakband.

Fysisch-chemische karakteriseringen en elektrochemische metingen

De geprepareerde rGO/MWCNT-films werden zorgvuldig onderzocht via röntgendiffractometer (XRD, BRUKER D2 PHASER) geassembleerd met CuKa-bestraling (λ = 1.54184 Å, 10 mA en 30 kV), en veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FE-SEM, Hitachi SU8010) voor het uitvoeren van respectievelijk kristallijne en oppervlaktemorfologieanalyse. Raman-spectrameting van de monsters werd uitgevoerd met 514,5 nm Ar-laser, 40 mW (Horiba Jobin Yvon Labarm HR 800). De Brunauer-Emmett-Teller (BET) oppervlakte-analysator (BET, ASAP 2020) werd gebruikt om een ​​specifiek oppervlak te identificeren. Thermische gravimetrische analyse (TGA) werd uitgevoerd van 30 tot 900 °C bij 3 °C min −1 oplopende snelheid onder N2 omgeving met behulp van thermogravimetrische analysator (TGA, TA Instruments Q500). De ohmse weerstanden van de gesynthetiseerde films werden gemeten via de vierpuntsprobe-methode (NAPSON RT-7), en de elektrische geleidbaarheid wordt berekend met behulp van de volgende vergelijking:

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

waar σ, l, A, en Rs staan ​​respectievelijk voor de elektrische geleidbaarheid, dikte, dwarsdoorsnede en ohmse weerstand van de gesynthetiseerde film zoals gemeten via een vierpunts sonde-instrument. De elektrochemische eigenschappen van rGO/MWCNT-filmelektroden werden onderzocht door middel van cyclische voltammetrie (CV), galvanostatische lading/ontlading (GCD) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) met behulp van CHI-instrument 616B elektrochemische analysator bij kamertemperatuur. Een configuratie met drie elektroden, die een verzadigde calomel-referentie-elektrode (SCE), platinablad als tegenelektrode en rGO / MWCNT-film als werkelektrode bevat, werd gebruikt voor deze metingen in elektrolyten van KOH, LiOH en NaOH. De SC (Cs) van de GCD-curve wordt berekend met behulp van de volgende vergelijking:

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

waar ik is de ontlaadstroom, ∆t is de tijd voor een volledige ontlading, m is de massa van actief elektrodemateriaal, en ∆V vertegenwoordigs de breedte van een potentieel venster voor een volledige ontlading.

De resultaten van elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) werden verkregen door een wisselstroomamplitude van 5 mV toe te passen in het frequentiebereik van 0,1 Hz tot 100  KHz en de amplitude en de faseverschuiving van de resulterende stroom te meten. Bij voorkeur kan een supercondensator worden gesymboliseerd door een eenvoudige schakeling met een weerstand in serie met een condensator. Hier vertegenwoordigen weerstand en condensator respectievelijk de equivalente serieweerstand (ESR) en de capaciteit van het apparaat. De netto-impedantie van dit circuit kan worden uitgedrukt als;

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

waar, ω = 2πf en f = frequentie in Hz. Vergelijking (3) laat zien dat bij hogere frequentiewaarden de ESR-term dominant is, terwijl bij lagere frequentiewaarden de capacitieve term effectiever wordt en het systeem zich begint te gedragen als een pure condensator. Verder biedt EIS-gegevensanalyse frequentieafhankelijke kenmerken van de supercondensatorelektrodematerialen in termen van complex vermogen, zoals hieronder weergegeven:

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

waar P (ω ), echte component van vermogen, wordt gedefinieerd als actief vermogen (watt), en Q (ω ), d.w.z. een denkbeeldige component van vermogen, wordt reactief vermogen genoemd (volt-ampère-reactief, VAR).

P (ω ) en Q (ω ) kan als volgt worden geschreven:

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

De bovenstaande vergelijkingen (4)-(6) kunnen direct worden gebruikt om de vermogenswaarden van de supercondensator te achterhalen.

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

waar T is de absolute temperatuur, n is het overboekingsnummer, R staat voor de gasconstante, C* is de concentratie van de elektrolyt, en A vertegenwoordigt het gebied van de werkende elektrode.

Resultaten en discussie

We hebben de op rGO / MWCNT gebaseerde nanocomposietfilms gesynthetiseerd via een efficiënte chemische route in één stap. Over het algemeen zijn op rGO gebaseerde nanocomposieten bekend voor materialen voor energieopslag. Bovendien werden, zoals vermeld in de literatuur, de MWCNT's gebruikt om een ​​geleidend kanaal in het materiaal tot stand te brengen [31]. Daarom bestuderen we het effect van de opname van MWCNT's op de elektrochemische prestaties van de vrijstaande op rGO gebaseerde films. We zien dat de hoeveelheid HI (reductiemiddel) cruciaal is om continu geleidende vrijstaande rGO/MWCNT-films te verkrijgen. Een beetje meer hoeveelheid dan de optimale waarde zal scheuren in de film achterlaten, aangezien een overmatige hoeveelheid HI meer I2 veroorzaakt bevrijden (HI + H2 O → H3 O + + Ik , en 2I = I2 + 2e ), die scheuren in de film zouden veroorzaken, zoals weergegeven in Fig. 2.

een Gebarsten rGO/MWCNT-film, b uniforme film, c uniforme film verwijderd van de petrischaal, en df gewassen en gegloeide vrijstaande folie

Structurele en morfologische kenmerken

XRD-patronen van de GO-, rGO-films, MWCNT en GP10C worden getoond in Fig. 3a. De uitgebreide karakterisering van XRD vertegenwoordigt de deoxygenatie van de als voorbereide films. Het XRD-patroon van GO-film geeft aan dat een scherpe diffractiepiek bij 2θ =-10,4°, komt overeen met de karakteristieke (001) diffractie van GO. Dit suggereert een grotere afstand tussen de lagen (d = 0,8465 nm) van GO dan die van grafiet (~ 0,34 nm) vanwege de introductie van zuurstofbevattende functionele groepen (bijv. epoxy- en hydroxylgroepen) die aan het oppervlak van de GO-plaat zijn gehecht en door de aanwezigheid van een enkel molecuul dik laag watermoleculen tussen de platen [32,33,34]. In het geval van rGO-, MWCNT's en GP10C-monsters verschijnen de diffractiepieken bij 2θ =26,24°, 25,49° ​​en 25°, respectievelijk. De succesvolle reductie van grafeenoxide blijkt uit de significante krimp van de tussenlaagafstand in rGO (~ 0.3475 nm) en GP10C (~  0.36 nm), toegeschreven aan de vernietiging van zuurstofbevattende functionele groepen. De Raman-analyses van rGO / MWCNT-films (figuur 3b) worden uitgevoerd om de structuren van GO, rGO, MWCNT's en GP10C verder te onderzoeken door de resulterende karakteristieke G- en D-banden die respectievelijk verband houden met defecten en stoornis. Om de defecten in grafeengerelateerde materialen te observeren, moet de intensiteitsverhouding (I D /Ik G ) voor de D-band (bij 1350 cm −1 ) en de G-band (bij 1590 cm −1 ) wordt over het algemeen gebruikt [35]. De ID /IG verhouding (inzet, figuur 3b) neemt toe van 0,9685 voor GO-film tot 1,2123, 1,0807 en 1,1649 voor respectievelijk rGO-papier, MWCNT's en GP10C, wat wijst op meer defecten in rGO-, MWCNT- en GP10C-films dan in pure GO-film. Verbetering van de defecten is waarschijnlijk te wijten aan het uiteenvallen van grafeenvellen in kleinere sp 2 grafeendomein en het verlies van koolstofatomen veroorzaakt door de ontleding van zuurstofbevattende groepen [36]. De waarde van I D /Ik G verhouding voor GP10C-film is kleiner (1.1649) dan die van rGO-film (1.2123) die kan worden toegeschreven aan de toename in sp 2 domeinen veroorzaakt door de introductie van koolstofnanobuisjes [37]. De N2 adsorptie-desorptie-isothermen van rGO- en GP10C-films na het toepassen van een uniforme druk van 10,0 MPa gedurende 5 min worden getoond in Fig. 3 c. Het berekende BET-specifieke oppervlak voor GP10C (0,9869 m 2 /g) wordt meer dan 4 keer hoger gevonden dan die van rGO-film (0,2229 m 2 /G). Het hogere specifieke oppervlak voorspelt de beschikbaarheid van meer grensvlak tussen de elektrolytische ionen en het actieve materiaal van de elektrode en zou een betere elektrochemische prestatie kunnen opleveren [38]. Het hogere specifieke oppervlak kan worden toegeschreven aan de MWCNT's die zijn ingeklemd tussen rGO-lagen, die het opnieuw stapelen van rGO-vellen voorkomen bij het uitoefenen van externe druk. Om de thermische stabiliteit te onderzoeken, wordt TGA van de gesynthetiseerde films bereikt in N2 omgeving met een hellingssnelheid van 3 °C min −1 van 30 tot 900 °C (Fig. 3d). In de TGA-grafieken is 3,2% gewichtsverlies van 30 tot 255°C gerelateerd aan de verdamping van door het oppervlak geabsorbeerd water en aan de verwijdering van tussenliggende watermoleculen [39]. Het gewichtsverlies van ongeveer 18,6% in het bereik van 302 tot 810 ° C kan worden toegeschreven aan de afbraak van hydrofiele functionele groepen, gehecht aan de rGO en MWCNT's tijdens zuiverings- en syntheseprocessen en gerelateerd aan de thermische afbraak van gereduceerd grafeenoxide en koolstof nanobuisjes [40]. We zien dat de thermische stabiliteit van GP10C-film beter is dan die van pure rGO-film, wat puur kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van MWCNT's in de vrijstaande GP10C.

XRD-patronen van GO, rGO-papier, MWCNT's en GP10C-film. een , b Raman-spectra-evolutie van D- en G-banden, c BET-analyses van rGO, rGO/CNT-films en d TGA-curven van rGO-film, MWCNT en GP10C-film

De FESEM-microfoto's van de rGO- en rGO / MWCNT-films worden getoond in Fig. 4. Het dwarsdoorsnede-onderzoek (Fig. 4a) onthult dat rGO-vellen zijn uitgelijnd en opnieuw op elkaar gestapeld in de rGO-film. We observeren de aanwezigheid van enkele luchtzakken tussen de rGO-lagen, die ontstaat door het vrijkomen van zuurstof en andere gasvormige soorten tijdens het reductie- en gloeiproces. Deze luchtbellen verminderen de elektrische geleidbaarheid en daarmee de elektrochemische prestatie van de vrijstaande film [41]. We zien met de toevoeging van MWCNT's in de film (Fig. 4b-d), rGO-lagen worden meer uitgelijnd met minder luchtzakken, aangezien MWCNT's als een vulmiddel werken en een afwisselend pad bieden voor gassoorten om uit de film te komen.

Dwarsdoorsnede FE-SEM-afbeeldingen van a rGO-film, met verschillende MWCNT's die b . laden 5 wt.%, c 10 wt.%, en d 15 wt.%

Elektrische geleidbaarheidsmetingen

De elektrische geleidbaarheid is een zeer belangrijke parameter om de elektrochemische prestaties van de voorbereide rGO- en rGO/MWCNT-films te onderzoeken. De elektrische metingen van GP, ​​GP5C, GP10C en GP15C met een dikte van respectievelijk ongeveer 0,01, 0,015, 0,014 en 0,0165 mm werden uitgevoerd via een vierpunts sonde-instrument en de gemeten ohmse weerstanden van GP, ​​GP5C, GP10C en GP15C zijn bleek respectievelijk 2,94, 2,71, 1,93 en 2,66 mΩ/sq te zijn (Fig. 5a). Figuur 5b toont de waarden van elektrische geleidbaarheid berekend door Vgl. (1) voor GP, GP5C, GP10C en GP15C:41,7 × 10 −2 , 51,4 × 10 −2 , 82,9 × 10 −2 , en 62,9 × 10 −2 S cm −1 , respectievelijk. De elektrische geleidbaarheid van de films neemt toe met een toename van de MWCNT-verhouding van 0 tot 10 wt.%. Dit kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van een elektrisch geleidend netwerk gevormd door MWCNT's in de films. De toevoeging van MWCNT's in de rGO-film maakt de vorming van een 3D-netwerk mogelijk, dat werkt als een geleidend kanaal voor ladingstransport in de film en daardoor de elektrische geleidbaarheid verbetert. Naarmate de belasting van MWCNT's in de rGO toeneemt, wordt de uitlijning van MWCNT's minder uitgesproken (Fig. 4b-d). Bij hogere MWCNT-concentratie (15 wt.%), wordt de agglomeratieneiging van MWCNT's tussen rGO-lagen effectief die de geleidende netwerkvorming van MWCNT's door de film vermindert, en dus neemt de waarde van elektrische geleidbaarheid af [42]. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door het effect van toenemende contactweerstand [43, 44]. Onder verschillende gesynthetiseerde films vertoont GP10C een lagere waarde van Ohmse weerstand (1,93 mΩ/sq.) met een hogere elektrische geleidbaarheid van 82,9 × 10 −2 S cm −1 . De verbetering van de elektrische geleidbaarheid van GP10C is het resultaat van de sterke π -π koppeling tussen rGO en MWCNT's die de delokalisatie van meer mobiele laadcarrières tussen de elektronische dichtheden van beide stimuleert [45].

een Ohmse weerstanden van rGO- en rGO/MWCNT-papier met 5, 10 en 15 wt.% MWCNT-gehalte, en b de elektrische geleidbaarheid van hetzelfde

Elektrochemische prestaties van GP10C-film in verschillende alkalische elektrolyten

De metingen van de elektrochemische eigenschappen van de GP10C-films werden uitgevoerd in waterige elektrolyten via CV, GCD en EIS bij kamertemperatuur. Elektrolyt is een van de belangrijkste factoren die de elektrochemische eigenschappen van een supercondensator sterk beïnvloeden. Om de meest geschikte alkalische elektrolyt voor de filmelektroden te vinden, onderzoeken we daarom de elektrochemische prestaties van de GP10C-elektrode in drie meest gebruikte alkalische elektrolyten , namelijk KOH, NaOH en LiOH, en de resultaten worden getoond in Fig. 6. Voor verschillende elektrolyten bezetten CV-curven verschillende gebieden (Fig. 6a). Opvallend is dat de CV-curve van GP10C bijna rechthoekig van vorm is en een groter gebied in KOH beslaat dan die in NaOH en LiOH, gemeten bij een scansnelheid van 50 mVs −1 . In Fig. 6b, de GCD-curven van GP10C bij de stroomdichtheid van 3 Ag −1 tonen een langere ontladingstijd in KOH in vergelijking met die in NaOH en LiOH-elektrolyten. Het is duidelijk uit vgl. (2) dat de ontladingstijd langer is (Δt ), hoe hoger de SC zou zijn. Daarom verkrijgen we een hogere SC in 2 M KOH in vergelijking met die in 2  M LiOH en NaOH-elektrolyten (figuur 6c). De waargenomen asymmetrie in de GCD-curven (figuur 6b) ontstaat door het optreden van enkele faradische reacties aan het oppervlak van composietfilms. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan de zuurstofbevattende functionele groepen die zijn bevestigd aan de rGO-bladen en gefunctionaliseerde MWCNT's. De EIS wordt in principe gebruikt om de elektrochemische prestaties van de films uit te voeren in termen van ionenoverdracht en elektrische geleidbaarheid. De Nyquist-grafieken van GP10C in verschillende elektrolyten worden onderzocht in het frequentiebereik van 0, 1 Hz tot 100 KHz met een wisselstroomamplitude van 5 mV (figuur 6d). De Nyquist-plot van GP10C bevat in wezen twee hoofdcomponenten (echt deel Z en denkbeeldig deel Z ) die een complex vlak voorstelt waarin Z′ het Ohmse gedrag vertoont; aan de andere kant toont Z″ het capacitieve gedrag van de filmelektrode. Het kan theoretisch worden verklaard via drie frequentieafhankelijke regio's, namelijk het hoogfrequente gebied (impedantieboog), het laagfrequente gebied en het middenfrequente gebied (Warburg-impedantie).

Elektrochemische prestaties van GP10C-film in verschillende waterige KOH, LiOH en NaOH in 2 M elektrolyten, a CV-curven bij 50 mVs −1 , b GCD-curven bij 3 Ag −1 , c SC zoals berekend op basis van GCD-curven, en d Nyquist-grafiek in verschillende elektrolyten met inzet die het vergrote gebied toont

Supercapacitor werkt vergelijkbaar met pure weerstand bij een hoger frequentiebereik, terwijl bij lagere frequenties een acute toename in het denkbeeldige deel en bijna verticale lijn wordt waargenomen, wat het pure capacitieve gedrag vertoont. Het middenfrequente gebied vertegenwoordigt de interactie tussen elektrolytische ionen en de poreuze actieve plaatsen van filmelektroden. Bovendien spelen in EIS de ionische weerstand van elektrolyt, de interne weerstand van stroomcollector en actief materiaal en de contactweerstand van de elektrode-stroomcollectorinterface een sleutelrol om de effectieve serieweerstand (ESR) of oplossingsweerstand (Rs) te achterhalen. In het hoogfrequente gebied van de Nyquist-curve kan ESR worden waargenomen door de puntwaarde waar de curve de reële as snijdt. De waarde van Rs blijkt kleiner te zijn (~ 1.1 Ω) voor KOH dan die gemeten voor NaOH (~ 1.6 Ω) en LiOH (~ 1.9). Het is ook opmerkelijk om te vermelden dat de diameter van de halfronde boog in het hoogfrequente gebied en de lengte van de hellende lijn onder een hoek van 45° in het middenfrequentiegebied representatief zijn voor respectievelijk diffusieweerstand en Warburg-weerstand. In dit opzicht vertoont GP10C kleinere diffusieweerstand en Warburg-weerstanden in KOH, vergeleken met die van LiOH en NaOH [46, 47]. De uitstekende prestaties van de GP10C-elektrode in KOH kunnen worden geassocieerd met een kleinere gehydrateerde ionische straal en een hogere ionische geleidbaarheid van K + ion (64,3 Ohm −1 cm 2 mol −1 ) in vergelijking met die van Na + (43,5 Ohm −1 cm 2 mol −1 ) en Li + (33,5 Ohm −1 cm 2 mol −1 ) ionen. Aan de andere kant wordt de ionische mobiliteit verbeterd door een lagere gehydrateerde ionische straal van K + ion krijgt toegang tot het elektrode-oppervlak, wat resulteert in een verbeterde elektrochemische prestatie van de GP10C-elektrode [48, 49]. Een duidelijke uitleg van de K + , Na + , en Li + ionen met gehydrateerde ionische stralen, respectievelijk 232, 276 en 340 pm, wordt getoond in Fig. 7. In plaats van externe factoren, wordt de echte ionische straal omgekeerd evenredig gevonden met de Coulomb-kracht in het licht van formule F = KQ 1 V 2 /r 2 , waar F is Coulombkracht, r is de afstand tussen twee ladingen (Q 1 en Q 2 ), en K is de constante van Coulomb. De ionische straal volgt de volgorde van rK+ (= 138 pm) > rNa + (= 102 pm) > r Li + (= 76 pm), dus de Coulomb-kracht volgt de volgorde van K + < Na + < Li + . De grotere Coulomb-kracht zal worden verenigd met een groter aantal watermoleculen, waardoor de gehydrateerde ionische straal groter wordt [50, 51], daarom K + ion heeft een lagere gehydrateerde ionenstraal. 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 een ) 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.

eenc 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; en d Nyquist plot for the GP10C and inset shows the EIS performance during 1st, 10,000 and 15,000 cycles

een 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 , respectievelijk. 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. een 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.

Conclusies

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 , respectievelijk. 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.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

All data and materials are fully available without resection.

Afkortingen

BET:

Brunauer-Emmett-Teller

CV:

Cyclische voltammetrie

EDLC:

Electrical double-layer capacitor

EIS:

Elektrochemische impedantiespectroscopie

FESEM:

Field-emission electron microscope

GCD:

Galvanostatic charge/discharge

GO:

Grafeenoxide

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's:

Multiwall carbon nanotubes

PVA:

Polyvinylalcohol

rGO:

Reduced graphene oxide

SC:

Specific capacitance

TEM:

Transmissie elektronenmicroscoop

TGA:

Thermogravimetrische analysator

XRD:

Röntgendiffractie


Nanomaterialen

  1. Applicatie Spotlight:3D-printen voor lagers
  2. Applicatie Spotlight:3D-printen voor schoenen
  3. Vooruitgang en uitdagingen van fluorescerende nanomaterialen voor synthese en biomedische toepassingen
  4. Grafeen- en polymeercomposieten voor toepassingen met supercondensatoren:een recensie
  5. Synthese van door reabsorptie onderdrukte Type-II/Type-I ZnSe/CdS/ZnS Core/Shell Quantum Dots en hun toepassing voor immunosorbentassay
  6. Nabehandelingsmethode voor de synthese van monodisperse binaire FePt-Fe3O4-nanodeeltjes
  7. Groene synthese van InP/ZnS Core/Shell Quantum Dots voor toepassing in licht-emitterende diodes zonder zware metalen
  8. Synthese van ZnO-nanokristallen en toepassing in omgekeerde polymeerzonnecellen
  9. UV-behandeling van flexibele koperen nanodraadgaasfilms voor toepassingen met transparante geleiders
  10. Vastestofverwarmingssynthese van poly (3,4-ethyleendioxythiofeen)/goud/grafeencomposiet en de toepassing ervan voor Amperometrische bepaling van nitriet en jodaat
  11. Een onderzoek naar koolstofnanovezels en actieve koolstof als symmetrische supercondensator in waterige elektrolyt:een vergelijkend onderzoek