Verhoging van supercondensator energiedichtheid met anionische surfactant-geïntercaleerde thermisch gereduceerde grafeneoxide in ionen-vloeistof elektrolyten

Samenvatting

Thermisch gereduceerde grafeneoxide (TRG) composieten werden ontworpen met controleerbare interlaag-afstand door het intercalareren van het anionische surfactant natrium dodecylsulfaat (SDS). Een eenvoudige na-verwerkingsstap waarbij de SDS-geïntercaleerde TRG (TRGS) wordt gespoeld met de ionen-vloeistof (IL) 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluormethylsulfonyl)imide (EMI-TFSI) vergrootte de interlaafstand verder door Coulomb-interacties. Electrochemische testen in een EMI-TFSI elektrolyt toonden aan dat de specifieke energiedichtheid van de resulterende TRGSE elektroden steeg van 34,9 tot 61,8 Wh kg⁻¹ bij 1 A g⁻¹, wat bevestigt dat een grotere interlaafstand de bereikbare oppervlakte voor IL-ionen vergroot.

Achtergrond

Supercondensators, of elektrische dubbellaag condensators (EDLCs), worden gewaardeerd voor hun hoge vermogensdichtheid, lange cyclusslevensduur, brede temperatuurbereik en minimale onderhoud, wat ze aantrekkelijk maakt voor elektrische voertuigen en draagbare elektronica. Energieslag in EDLCs berust op ion-adsorptie aan de elektrode/elektrolyt-interface, dus het maximaliseren van de specifieke oppervlakte van de elektrode en het optimaliseren van de elektrode/elektrolyt-interface zijn kritieke ontwerpdoelen.

Ionen-vloeistoffen (ILs) bieden brede electrochemische vensters (>3 V) en uitstekende thermische stabiliteit, wat hogere celspanningen en energiedichtheden mogelijk maakt in vergelijking met waterige elektrolyten. Echter, de typisch grote ionendiameters in ILs kunnen de toegang tot de microporen van hoog-oppervlakte karbonen beperken. Gereduceerde grafeneoxide (RGO) biedt een hoge theoretische oppervlakte (2630 m² g⁻¹) en uitstekende geleiding, maar het ontbreken van zuurstoffunctionaliteiten na reductie maakt het hydrofoob en geneigd tot restapeling.

Surfactanten zoals SDS kunnen zich tussen grafenevelletjes intercalareren via elektrostatische aantrekking tussen de anionische kopgroep en residuele zuurstofsoorten, terwijl de hydrofobe staarten aan de basale vlakken ankeren, waardoor restapeling wordt voorkomen en dispersie in waterige media mogelijk wordt. Eerder werk toonde aan dat surfactant-geïntercaleerde RGO hogere capaciteit in waterige media vertoont dan in ILs, waarschijnlijk omdat de IL-iongrootte (≈0,7 nm voor EMI-TFSI) de interlaafstand (≈0,4 nm) in surfactant-enkel systemen overschrijdt.

In deze studie introduceerden we een twee-staps intercalaratiestrategie: (1) SDS-intercalatie om TRGS te produceren; (2) spoelen van TRGS met EMI-TFSI om TRGSE te vormen, waar Coulomb-krachten tussen SDS en IL-moleculen de interlaafstand verder laten zwellen.

Resultaten en Discussie

Morfologie

Scanning elektronenmicroscopie (SEM) onthulde dat zuivere TRG neigt tot agglomeratie tot grafiet-achtige deeltjes, terwijl TRGS en TRGSE een meer geëxfolieerde, gekreukelde morfologie met gerimpelde randen vertonen, wat succesvolle SDS-intercalatie en daaropvolgende IL-geïnduceerde afstand aangeeft (Figuur 2).

Thermische Stabiliteit

Thermogravimetrische analyse (TGA) toonde een geringe gewichtsverlies bij ~100 °C voor alle monsters door vocht. TRG vertoonde een geleidelijke 8% verlies tot 500 °C vóór snelle decompositie, terwijl TRGS en TRGSE een steilere 24-28% verlies rond 200 °C toonden, wat de decompositie van SDS en IL-componenten weerspiegelt (Figuur 3).

Spectroscopische Karakterisatie

Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectras bevestigden de interactie tussen SDS en de IL. De SO₂ symmetrische trilling verschuifde van 1084 naar 1080 cm⁻¹ in TRGS en verder naar 1195/1226 cm⁻¹ in TRGSE, wat sterke ionenuitwisseling aangeeft (Figuur 4).

Interlaafstand

Poeder Röntgendiffractie (XRD) onthulde een (001) piek bij 24,6° voor TRG (d = 0,36 nm), 13,3° voor TRGS (d = 0,66 nm) en een bredere piek voor TRGSE, wat verdere expansie suggereert. Kleine-hoek Röntgenspreiding (SAXS) bevestigde een interlaafstand van 3,92 nm in TRGSE, consistent met de vorming van SDS/IL-aggregaten (Figuur 5).

Electrochemische Prestaties

Electrochemische impedantiespectroscopie (EIS) toonde aan dat TRGS en TRGSE lagere contactweerstanden (Rc ≈ 200-270 Ω cm⁻²) bezitten dan zuivere TRG (Rc ≈ 388 Ω cm⁻²). De grotere interlaafstand in TRGSE verlaagde de diffusieweerstand (Rp = 11,2 Ω cm⁻²) ten opzichte van TRGS (21,3 Ω cm⁻²), ten koste van iets hogere algehele interne weerstand (R ≈ 285 Ω cm⁻²) (Figuur 6).

Cyclische voltammetrie (CV) demonstreerde bijna-rechthoekige krommen voor TRGS en TRGSE, wat ideaal capacitief gedrag aangeeft, terwijl TRG afweek (Figuur 7). Specifieke capaciteitswaarden bij 1 A g⁻¹ waren 43,1, 112,6 en 200,5 F g⁻¹ voor TRG, TRGS en TRGSE respectievelijk - TRGSE's capaciteit was 1,78× hoger dan TRGS (Figuur 8).

Galvanostatische ontladingskrommen bevestigden dat TRGSE de hoogste energiedichtheid behield - 61,8 Wh kg⁻¹ bij 1 A g⁻¹ - in vergelijking met TRGS (34,9 Wh kg⁻¹) en TRG (15,3 Wh kg⁻¹). Bij hogere stroomdichtheden behield TRGSE 4,1 Wh kg⁻¹ bij 18 A g⁻¹, terwijl TRG onder 0,5 Wh kg⁻¹ zakte (Figuur 9). Ragone-plots illustreerden de superieure afweging tussen energie en vermogen voor TRGSE (Figuur 10).

Conclusie

Door SDS in thermisch gereduceerde grafeneoxide te intercalareren en vervolgens EMI-TFSI toe te voegen, bereikten we een controleerbare interlaafstandexpansie van 0,66 tot 3,92 nm. Deze structurele afstemming verhoogde de bereikbare oppervlakte voor de IL-elektrolyt aanzienlijk, wat leidde tot een 1,78-voudige stijging in specifieke capaciteit en een 1,77-voudige toename in energiedichtheid bij 1 A g⁻¹. De aanpak toont een haalbare weg naar hoogpresterende EDLCs die de structurele voordelen van grafeen combineren met de electrochemische voordelen van ionen-vloeistoffen.

Methoden

TRG werd gesynthetiseerd uit natuurlijk grafit via een gewijzigde Hummers-methode gevolgd door thermische reductie. Voor TRGS werd 10 mg TRG gedispergeerd in 30 mL 0,1 M SDS en 12 uur geultrasoniceerd, daarna vacuüm-gefiltreerd op een Celgard 3500 scheider. Het resulterende film werd gespoeld met 15 mL 0,2 M EMI-TFSI in ethanol tijdens filtraties om TRGSE te verkrijgen. Controle TRG-elektroden werden bereid door 10 mg TRG in 20 mL 20 gew% ethanol te disperseren en identiek te filteren. Elektroden (1 cm²) werden geperst op 304 roestvrij staal stroomafvoerders. Twee-elektrode EDLC-cellen werden gemonteerd in verzegelde zakken gevuld met EMI-TFSI elektrolyt en getest op een VersaSTAT 4 potentiostaat. Morfologie werd onderzocht met JEOL-6700 SEM, structurele analyse met Bruker-AXS D8 XRD en Nanostar U SAXS, thermische stabiliteit met TA Q50 TGA (10 °C min⁻¹, N₂) en trillingsspectra met Bruker Vertex 70v FTIR (4000-400 cm⁻¹).

Afkortingen

EDLC

Elektrische dubbellaag condensator

EMI-TFSI

1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluormethylsulfonyl)imide

FTIR

Fourier-transformatie infraroodspectroscopie

GO

Grafeneoxide

RGO

Gereduceerde grafeneoxide

SAXS

Kleine-hoek Röntgenspreiding

SDS

Natrium dodecylsulfaat

SEM

Scanning elektronenmicroscopie

TGA

Thermogravimetrische analyse

TRG

Thermisch gereduceerde grafeneoxide

TRGS

SDS-geïntercaleerde TRG-composiet

TRGSE

TRGS gespoeld met EMI-TFSI tijdens filtraties

XRD

Röntgendiffractie