Innovatieve, kosteneffectieve fabricage van flexibele rGO/MWCNT-films voor hoogpresterende symmetrische supercondensatoren

Samenvatting

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 verschillende sterke basische waterige electrolyten, zoals KOH, LiOH en NaOH, via een drie-elektrodesysteem. Het supercondensatorgedrag van de films wordt gekarakteriseerd via cyclische voltammetrie, galvanostatische lading-ontlading en elektrochemische impedantiespectroscopie. Structurele en morfologische studies worden uitgevoerd met röntgendiffractometrie, Ramanspectroscopie, oppervlakteanalyse, thermogravimetrische analyse, veldemissie-scanning elektronenmicroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie. De rGO/MWCNT-film gesynthetiseerd met 10 wt% MWCNTs (GP10C) toont een hoge specifieke capaciteit van 200 Fg⁻¹, uitstekende cyclische stabiliteit met 92% retentie na 15.000 cycli, een kleine relaxatietijdconstante (~ 194 ms) en een hoge diffusiecoëfficiënt (7,8457 × 10⁻⁹ cm² s⁻¹) in 2 M KOH-elektrolyt. Verder toont de symmetrische supercondensator-muntcel met GP10C als zowel anode als kathode, met 2 M KOH als elektrolyt, een hoge energiedichtheid van 29,4 Whkg⁻¹ en vermogendichtheid van 439 Wkg⁻¹ bij een stroomdichtheid van 0,1 Ag⁻¹ en goede cyclische stabiliteit met 85% retentie van de initiële capaciteit bij 0,3 Ag⁻¹ na 10.000 cycli. Deze hoge prestaties van de GP10C-film in de supercondensator kan worden toegeschreven aan het grote oppervlak, de kleine hydratatiesfeerradius en de hoge ionische geleidbaarheid van K⁺-kationen in KOH-elektrolyt.

Inleiding

Grafene is, vanwege zijn uitzonderlijke fysische eigenschappen zoals een zeer hoog specifiek oppervlak, uitzonderlijke elektrische geleidbaarheid, uitstekende mechanische flexibiliteit en ongewone thermische/chemische stabiliteit, na zijn ontdekking in 2004 een van de bestudeerde materialen in de materiaalwetenschap geworden. Vanwege deze unieke eigenschappen vindt grafene potentiële toepassingen in nano-elektronica, sensoren, energietopslag, zonnecellen en nanomechanische apparaten. De fabricage van uniforme grootvlakkige films van monolagige of bilagige zuivere grafene is echter niet alleen moeilijk maar ook duur, wat de gecommercialiseerde toepassingen in apparaatfabricage belemmert. Daarom gebruiken onderzoekers gereduceerd grafene-oxide (rGO), verkregen door chemische en/of thermische reductie van hydrofiel grafene-oxide (GO), als alternatief voor zuivere grafene. Recentelijk is de vraag naar goedkope, betrouwbare, draagbare en buigbare elektronische apparaten enorm toegenomen. In dit kader zijn flexibele energietopslagapparaten (supercondensatoren en Li-ionbatterijen) het centrum van aandacht voor de wetenschappelijke gemeenschap geworden vanwege hun integratie in flexibele elektronische apparaten. Materialen die eenvoudig omgezet kunnen worden in vrijstaande, papierachtige vormen zijn daarom zeer gewenst. Bij de zoektocht naar zo'n buigbaar materiaal met goede mechanische en chemische stabiliteit, uitstekende elektrische geleidbaarheid en gemakkelijke transformatie naar grootvlakkige dunne films, blijkt rGO een zeer veelbelovende kandidaat.

Er waren twee benaderingen om vrijstaand rGO-papierachtige film of membraan te prepareren. De eerste benadering betreft de directe filtratie van rGO-dispersie over specifieke filterpapieren. De tweede benadering begint met de synthese van GO-poeder en eindigt met de reductie van GO-papier tot rGO-papier, hetzij met behulp van een reducerend middel, hetzij via gluing in een inerte/reducerende omgeving. Verschillende technieken zijn gerapporteerd om vrijstaand flexibel rGO-papier te synthetiseren. Xiao et al. fabriceren rGO-papier door een printtechniek gevolgd door een CO₂-bellen-delaminatiemethode en het verkregen papier toonde een specifieke capaciteit van 55 Fg⁻¹ bij 1 Ag⁻¹. Rath et al. synthetiseerden rGO-papier via vacuümfiltratie van GO-suspensie en daaropvolgende reductie met jodwaterstofzuur (HI) (55%) en verkregen een specifieke capaciteit van ~ 80 Fg⁻¹ bij 0,5 Ag⁻¹. Li et al. documenteerden een 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 zinkpoeder in ammoniakoplossing. Verder synthetiseerden Hu et al. rGO-papier door vacuümfiltratie van GO-waterige dispersie en daaropvolgende elektrochemische reductie. Zij rapporteerden een SC van 106 F cm⁻³ bij een scansnelheid van 1 mV s⁻¹. Op basis van literatuurgegevens is geconcludeerd dat π-π-interactie en sterke van der Waals-interacties tussen basale vlakken restapeling en aggregatie van rGO-nanosheets veroorzaken, wat resulteert in verminderd oppervlak en slechte elektrochemische prestaties van het rGO-papier.

In deze studie rapporteren we een nieuwe, gemakkelijke en kosteneffectieve manier om flexibele geleidende rGO-film te synthetiseren met multiwand koolstofnanobuizen (MWCNTs) geïintercaleerd tussen de rGO-lagen. We tonen aan dat het gebruik van een geschikte hoeveelheid MWCNTs om rGO/MWCNT-nanocomposietfilm te vormen de restapeling van rGO-nanosheets effectief kan voorkomen, waardoor de elektrochemische prestaties van de films verbeteren. Een optimale hoeveelheid HI, gevolgd door gluing bij 250 °C in reducerende omgeving (3% H₂ + 97% N₂) gedurende 2 uur, wordt gebruikt voor de reductie van GO/MWCNTs tot rGO/MWCNT-films. De dikte van de films kan eenvoudig worden gecontroleerd door het volume van de GO-dispersie dat gebruikt wordt in de synthese van rGO- en rGO/MWCNT-films aan te passen. We onderzoeken de elektrochemische prestaties van rGO/MWCNT-nanocomposiet flexibele films gefabriceerd met verschillende wt% (0, 5, 10 en 15) MWCNTs. Resultaten tonen aan dat de rGO/MWCNT-film gesynthetiseerd met 10 wt% MWCNTs een uitstekende specifieke capaciteit van 200 Fg⁻¹ bij 0,25 Ag⁻¹ in 2 M KOH waterige elektrolyt vertoont, hoger dan diverse eerdere gerapporteerde waarden. Als-preparatie geoptimaliseerde vrijstaande nanocomposietfilms werden gebruikt als zowel anode als kathode voor het ontwerpen van een symmetrisch supercondensatorapparaat dat een hoge energiedichtheid van 29,4 Whkg⁻¹ en goede stabiliteit met 85% retentie na 10.000 cycli in 2 M KOH waterige elektrolyt vertoont.

Methoden

Materialen

Alle chemicaliën die in deze studie werden gebruikt, waren van analytische zuiverheidsgraad. Natuurlijk grafietfijnpoeder (Nr. 15553, Riedel-de Haen), MWCNTs (Ctube-120, lengte 5–20 μm) zijn ontvangen (CNT Co., Ltd., Zuid-Korea). Jodwaterstofzuur (57% w/w waterige opl.) is gekocht van Alfa Aesar. Polyvinylalcohol (PVA, MG 89.000~98.000) is gekocht van Sigma-Aldrich Company. Alle dispersies en oplossingen zijn bereid in DI-water met een resistiviteit van ten minste 18 MΩ cm bij 25 °C, verkregen van een Milli-Q-zuiveringssysteem (Milli-Q, VS).

Preparatie van grafene-oxide

Het uitgangsmateriaal, grafene-oxide (GO), werd gesynthetiseerd door sterke chemische oxidatie van grafietpoeders in een mengsel (9:1) van H₂SO₄ en H₃PO₄. Het verkregen product (GO-vlokken) werd vacuümgedroogd bij 45 °C om vocht te verwijderen.

Zuivering van MWCNTs

Voorafgaand aan de gebruiken, werden de commercieel beschikbare MWCNTs (specifiek oppervlak, 40–300 m² g⁻¹; lengte, 5–20 mm) 24 uur lang teruggekoken in 70% salpeterzuuroplossing bij 90 °C. Na terugkoken werd het resulterende mengsel gefiltreerd over een nylonmembraanfilter (0,45 mm) en gewassen met een overmaat aan DI-water tot de pH neutraal werd. Het gefiltreerde vaste deel werd 24 uur gedroogd in een oven bij 100 °C om gezuiverde en gefunctionaliseerde MWCNTs te verkrijgen.

Synthese en fabricage van rGO/MWCNT flexibele vrijstaande films

Om rGO/MWCNT-films te synthetiseren, werd een berekende hoeveelheid GO-vlokken goed gedispergeerd in DI-water via intense sonicatie om een homogene GO-dispersie van 8 mg/mL te prepareren. Daarna werden 0, 5, 10 en 15 wt% MWCNTs apart gemengd met een geoptimaliseerde hoeveelheid (20 mL) van de GO-dispersie via ~ 1 uur intense sonicatie. Een optimale hoeveelheid HI-oplossing, als reducerend middel, werd druppelwijze aan het bovengenoemde GO-MWCNT-mengsel toegevoegd. Het resulterende mengsel werd in een petrischaal van diameter ~ 9,5 cm gegoten en gedroogd in de luchtstroom. Het gedroogde rGO/MWCNT-film kan eenvoudig uit de petrischaal worden verwijderd in aanwezigheid van ethanol. De verkregen vrijstaande rGO/MWCNT-film werd verscheidene malen met ethanol gewassen om ongereageerd/residueel HI-oplossing te verwijderen en opnieuw in de lucht gedroogd bij 35 °C gedurende 12 uur. Ten slotte werd het in de lucht gedroogde vrijstaande film gegluïd bij 250 °C in reducerende omgeving (3% H₂ + 97% N₂) gedurende 2 uur. Het schematische overzicht van het gehele syntheseproces is geïllustreerd in Fig. 1. De gefabriceerde rGO/MWCNT-films met verschillende MWCNT-hoeveelheden, 0, 5, 10 en 15 wt%, worden respectievelijk aangeduid als GP, GP5C, GP10C en GP15C.

Fabricage van rGO/MWCNT-elektrodes

De werkende elektrodes van rGO/MWCNT-films voor elektrochemische tests werden bereid door een stukje (1 × 1 cm²) van het gefabriceerde film op Ni-schuim te persen met een uniforme druk van ~ 10 mPa gedurende 2 min. Het gewicht van actief materiaal geladen op Ni-schuimsubstraat, gemeten met de microweegschaal (PRECISA XR125M-FR) met een nauwkeurigheid van ~ 0,1 μg, was ~ 1,1 mg. Syntheseproces en elektrodefabrikage worden getoond in Fig. 1.

Fabricage van GP10C film-gebaseerde symmetrische muntcel en vastestof flexibele apparaten

De GP10C-elektrode-gebaseerde symmetrische supercondensator werd succesvol ontworpen in een twee-elektroden muntcelconfiguratie met 2 M KOH elektrolyt. Kortom, twee circulaire GP10C-elektroden van gelijke gewichten werden uitgepund in een CR2032 muntcelmontage. Hierbij werd, om direct contact van de werkende elektrodes te voorkomen, een scheider (glasvezelmembraan, Whatman^TM) ertussen geplaatst. De totale massa van actief materiaal in het apparaat was ~ 3,5 mg. Verder, om de compatibiliteit van GP10C elektrodemateriaal in een flexibel apparaat te zien, werd een flexibel vastestof symmetrisch apparaat (FSSSD) ontworpen met PVA-KOH gel polymerelektrolyt. Voor de preparatie van FSSSD werd 1 g PVA opgelost in 5 mL DI-water bij 85 °C en 1 uur geroerd tot de oplossing transparant werd, waarna 1 g van 2 M KOH-oplossing aan de bovengenoemde oplossing werd toegevoegd. Ten slotte werd het mengsel 3 uur met continue roering gelaten om een kwasi-vaste gelachtige vorm te verkrijgen. Voor apparaatassemblage werden twee stukken (1 × 2 cm²) van GP10C elektroden van gelijke gewichten op flexibele roestvrij staal stoffen bevestigd, die de elektrodes beschermen tegen mechanische schokken en ze ondersteunen voor externe contact. Beide werkende elektroden werden uniform gecoat met kwasi-vaste gel elektrolyt. Om een juiste vaste gellaag te verkrijgen, werden beide werkende elektroden in de afzuigkap in de lucht gedroogd om overtollig water te verwijderen, tegen elkaar geplaatst met de gezichten naar elkaar, en ten slotte ingewikkeld met lijmband.

Fysico-chemische characterisaties en elektrochemische metingen

De bereide rGO/MWCNT-films werden zorgvuldig onderzocht via röntgendiffractometer (XRD, BRUKER D2 PHASER) samengesteld met CuKα bestraling (λ = 1,54184 Å, 10 mA en 30 kV), en veldemissie-scanning elektronenmicroscoop (FE-SEM, Hitachi SU8010) voor respectievelijk kristallijne en oppervlaktemorfologieanalyse. Ramanspectrametingen van de monsters werden uitgevoerd met 514,5 nm Ar-laser, 40 mW (Horiba Jobin Yvon Labarm HR 800). Brunauer-Emmett-Teller (BET) oppervlakteanalyser (BET, ASAP 2020) werd gebruikt om het specifieke oppervlak te identificeren. Thermogravimetrische analyse (TGA) werd uitgevoerd van 30 tot 900 °C bij 3 °C min⁻¹ opstijgsnelheid onder N₂-omgeving met thermogravimetrische analysator (TGA, TA Instruments Q500). De ohmse weerstanden van de gesynthetiseerde films werden gemeten via de vier-punt probemethode (NAPSON RT-7), en de elektrische geleidbaarheid wordt berekend met de volgende vergelijking:

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

waarbij σ, l, A, en Rs respectievelijk de elektrische geleidbaarheid, dikte, doorsnedeoppervlak en ohmse weerstand van het gesynthetiseerde film vertegenwoordigen zoals gemeten via het vier-punt probe-instrument. De elektrochemische eigenschappen van rGO/MWCNT-film elektrodes werden onderzocht door cyclische voltammetrie (CV), galvanostatische lading/ontlading (GCD) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) met CHI instrument 616B elektrochemische analysator bij kamertemperatuur. Een drie-elektrodeconfiguratie, die een verzadigde calomeel referentie-elektrode (SCE), een platinafolie als tegen-elektrode en rGO/MWCNT-film als werkende elektrode bevat, werd gebruikt voor deze metingen in electrolyten van KOH, LiOH en NaOH. De SC (Cs) uit de GCD-kromme wordt berekend met de volgende vergelijking:

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

waarbij I de ontladingsstroom is, ∆t de tijd voor een volledige ontlading, m de massa van actief elektrodemateriaal, en ∆V de breedte van een potentiële venster voor een volledige ontlading vertegenwoordigt.

De elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) resultaten werden verkregen door een wisselspanningsamplitude van 5 mV toe te passen in het frequentiebereik van 0,1 Hz tot 100 KHz en de amplitude en de fasverschuiving van de resulterende stroom te meten. Een supercondensator kan bij voorkeur worden gesymboliseerd door een eenvoudige schakeling met een weerstand in serie met een condensator. Hier vertegenwoordigen weerstand en condensator respectievelijk de equivalent serie weerstand (ESR) en de capaciteit van het apparaat. De netto impedantie van deze schakeling kan worden uitgedrukt als:

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

waarbij, ω = 2πf en f = frequentie in Hz. Vergelijking (3) toont aan dat bij hogere frequentiewaarden de ESR-term dominant is, terwijl bij lagere frequentiewaarden de capacitieve term effectiever wordt en het systeem begint zich te gedragen als een zuivere condensator. Verder biedt EIS-data analyse frequentie-afhankelijke karakteristieken van de supercondensator elektrodematerialen in termen van complexe vermogen als gegeven hieronder:

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

waarbij P (ω), reële component van vermogen, gedefinieerd wordt als actief vermogen (watt), en Q (ω), d.w.z. een imaginaire component van vermogen, wordt aangeduid als reactief vermogen (volt-ampere-reactief, VAR).

P (ω) en Q (ω) kunnen 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 bovengenoemde vergelijkingen (4)–(6) kunnen direct worden gebruikt om de vermogenswaarden van de supercondensator te vinden.

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

waarbij T de absolute temperatuur is, n het ladingsoverdrachtsgetal, R de gassenconstante vertegenwoordigt, C* de concentratie van de elektrolyt is, en A het oppervlak van de werkende elektrode vertegenwoordigt.

Resultaten en discussie

We synthetiseerden de rGO/MWCNT-gebaseerde nanocomposietfilms via een efficiënte eén-staps chemische route. Over het algemeen zijn rGO-gebaseerde nanocomposieten bekend als energietopslagmaterialen. Bovendien, zoals in de literatuur gerapporteerd, werden MWCNTs gebruikt om een geleidend kanaal binnen het materiaal te vestigen. Daarom bestuderen we het effect van de incorporatie van MWCNTs op de elektrochemische prestaties van de vrijstaande rGO-gebaseerde films. We waarnemen dat de hoeveelheid HI (reducerend middel) cruciaal is om continue geleidende vrijstaande rGO/MWCNT-films te verkrijgen. Een iets grotere hoeveelheid dan de optimale waarde zal barstingen in de film achterlaten, omdat een overmaat aan HI meer I₂ zal vrijmaken (HI + H₂O → H₃O⁺ + I⁻, en 2I⁻ = I₂ + 2e⁻), wat barstingen in de film zou veroorzaken zoals getoond in Fig. 2.

Structurele en morfologische characterisaties

XRD-patronen van de GO, rGO-films, MWCNT en GP10C worden getoond in Fig. 3a. De uitgebreide karakterisatie van XRD vertegenwoordigt de deoxygenatie van de als-preparatie films. Het XRD-patroon van GO-film geeft aan dat een scherpe diffractiepiek bij 2θ = 10,4°, overeenkomt met de karakteristieke (001) diffractie van GO. Dit suggereert een grotere tussenlaagafstand (d = 0,8465 nm) van GO dan die van grafiet (~ 0,34 nm) door de introductie van zuurstofbevattende functionele groepen (bijv. epoxy- en hydroxylgroepen) gehecht aan het GO-vlakoppervlak en door de aanwezigheid van een enkel-molecuul-dikke laag watermoleculen geïintercaleerd tussen de vellen. In het geval van rGO, MWCNTs en GP10C monsters, verschijnen de diffractiepieken bij 2θ = 26,24°, 25,49° en 25°, respectievelijk. De succesvolle reductie van grafene-oxide is duidelijk door de significante krimp van de tussenlaagafstand in rGO (~ 0,3475 nm) en GP10C (~ 0,36 nm), toegeschreven aan de destructie van zuurstofbevattende functionele groepen. De Ramananalyses van rGO/MWCNT-films (Fig. 3b) worden uitgevoerd om de structuren van GO, rGO, MWCNTs en GP10C verder te verkennen door de resulterende karakteristieke G- en D-banden gerelateerd aan defecten en onorde, respectievelijk. Om de defecten in grafene-gerelateerde materialen te observeren, wordt de intensiteitsratio (I_D/I_G) voor de D-band (bij 1350 cm⁻¹) en de G-band (bij 1590 cm⁻¹) over het algemeen gebruikt. De I_D/I_G ratio (inset, Fig. 3b) stijgt van 0,9685 voor GO-film naar 1,2123, 1,0807 en 1,1649 voor rGO-papier, MWCNTs en GP10C, respectievelijk, wat meer defecten in rGO, MWCNT en GP10C films aangeeft dan in zuiver GO-film. De toename in defecten is waarschijnlijk te wijten aan de desintegratie van grafene-vellen in kleinere sp² grafene-domeinen en het verlies van koolstofatomen geïnduceerd door de decompositie van zuurstofbevattende groepen. De waarde van I_D/I_G ratio voor GP10C-film is kleiner (1,1649) dan die van rGO-film (1,2123) wat kan worden toegeschreven aan de toename in sp² domeinen veroorzaakt door de introductie van koolstofnanobuizen. De N₂ adsorptie-desorptie isothermen van rGO en GP10C films na toepassing van uniforme druk van 10,0 MPa gedurende 5 min worden getoond in Fig. 3c. De berekende BET specifieke oppervlakte voor GP10C (0,9869 m²/g) blijkt meer dan 4 keer hoger dan die van rGO-film (0,2229 m²/g). Het hogere specifieke oppervlak voorspelt de beschikbaarheid van meer interfacegebied tussen de elektrolytische ionen en het actieve elektrodemateriaal en kan betere elektrochemische prestaties bieden. Het hogere specifieke oppervlak kan worden toegeschreven aan de MWCNTs tussen de rGO-lagen ingesloten, die de restapeling van rGO-vellen bij toepassing van externe druk voorkomen. Om de thermische stabiliteit te onderzoeken, wordt TGA van de gesynthetiseerde films uitgevoerd in N₂-omgeving bij een opstijgsnelheid van 3 °C min⁻¹ van 30 tot 900 °C (Fig. 3d). In de TGA-grafieken is een gewichtsverlies van 3,2% van 30 tot 255 °C gerelateerd aan de verdamping van oppervlakte geadsorbeerd water en aan de verwijdering van tussenlaagse watermoleculen. Het gewichtsverlies van ongeveer 18,6% in het bereik van 302 tot 810 °C kan worden toegeschreven aan de decompositie van hydrofiele functionele groepen, gehecht aan de rGO en MWCNTs tijdens zuiverings- en syntheseprocessen en gerelateerd aan de thermische decompositie van gereduceerd grafene-oxide en koolstofnanobuizen. We observeren dat de thermische stabiliteit van GP10C-film beter is dan die van zuivere rGO-film, wat puur kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van MWCNTs in de vrijstaande GP10C.

De FESEM-micrografieken van de rGO en rGO/MWCNT-films worden getoond in Fig. 4. Het dwarsdoorsnede-onderzoek (Fig. 4a) onthult dat rGO-vellen uitgelijnd en gerestapeld zijn op elkaar in de rGO-film. We observeren de aanwezigheid van enkele luchtkussen tussen de rGO-lagen, die ontstaan door de bevrijding van zuurstof en andere gasvormige species tijdens reductie en gluingproces. Deze luchtkussen verminderen de elektrische geleidbaarheid en dus de elektrochemische prestaties van de vrijstaande film. We observeren dat met de toevoeging van MWCNTs in de film (Figs. 4b–d), de rGO-lagen meer uitgelijnd raken met minder luchtkussen, doordat MWCNTs werken als vulling en een alternatief pad bieden voor gasvormige species om uit de film te ontsnappen.

Elektrische geleidbaarheidsmetingen

De elektrische geleidbaarheid is een zeer belangrijke parameter om de elektrochemische prestaties van de als-preparatie rGO en rGO/MWCNT-films te onderzoeken. De elektrische metingen van GP, GP5C, GP10C en GP15C met diktes van ongeveer 0,01, 0,015, 0,014 en 0,0165 mm, respectievelijk, werden uitgevoerd via het vier-punt probe-instrument en de gemeten ohmse weerstanden van GP, GP5C, GP10C en GP15C bleken 2,94, 2,71, 1,93 en 2,66 mΩ/sq. te zijn, respectievelijk (Fig. 5a). Figuur 5b toont de waarden van de elektrische geleidbaarheid berekend met Verg. (1) voor GP, GP5C, GP10C en GP15C van 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-ratio van 0 tot 10 wt%. Dit kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van een elektrisch geleidend netwerk gevormd door MWCNTs in de films. De toevoeging van MWCNTs in de rGO-film stelt de vorming van een 3D-netwerk toe, dat werkt als een geleidend kanaal voor ladingstransport binnen de film en dus de elektrische geleidbaarheid verbetert. Naarmate de lading van MWCNTs in de rGO toeneemt, wordt de uitlijning van MWCNTs minder uitgesproken (Fig. 4b–d). Bij hogere MWCNT-concentratie (15 wt%) wordt de agglomeratie-neiging van MWCNTs tussen rGO-lagen effectief wat de geleidende netwerkvorming van MWCNTs door de hele film vermindert, en dus de waarde van de elektrische geleidbaarheid daalt. Dit wordt eigenlijk veroorzaakt door het effect van toenemende contactweerstand. Onder de diverse gesynthetiseerde films vertoont GP10C een lagere waarde van ohmse weerstand (1,93 mΩ/sq.) met hogere elektrische geleidbaarheid van 82,9 × 10⁻² S cm⁻¹. De verbetering in de elektrische geleidbaarheid van GP10C is het resultaat van de sterke π-π-koppeling tussen rGO en MWCNTs die meer mobiele ladingsdragers delokalisatie tussen de elektronische dichtheden van beide bevordert.

Elektrochemische prestaties van GP10C-film in verschillende alkaline electrolyten

De elektrochemische eigenschappenmetingen van de GP10C-films werden uitgevoerd in waterige electrolyten via CV, GCD en EIS bij kamertemperatuur. Elektrolyt is een van de belangrijkste factoren die de elektrochemische eigenschappen van een supercondensator sterk beïnvloeden. Daarom, om de best passende alkalische elektrolyt voor de filmelektrodes te vinden, onderzoeken we de elektrochemische prestaties van GP10C-elektrode in de drie meest voorkomende alkalische elektrolyten, namelijk KOH, NaOH en LiOH, en de resultaten worden getoond in Fig. 6. Voor verschillende electrolyten bezetten CV-krommen verschillende oppervlaktes (Fig. 6a). Opvallend is dat de CV-kromme van GP10C bijna rechthoekig van vorm is en een groter oppervlak bezit in KOH dan in NaOH en LiOH wanneer gemeten bij een scansnelheid van 50 mVs⁻¹. In Fig. 6b tonen de GCD-krommen van GP10C bij de stroomdichtheid van 3 Ag⁻¹ langere ontladingstijd in KOH vergeleken met die in NaOH en LiOH electrolyten. Uit Verg. (2) is het duidelijk dat hoe langer de ontladingstijd (Δt), hoe hoger de SC zou zijn. Daarom verkrijgen we hogere SC in 2 M KOH vergeleken met die in 2 M LiOH en NaOH electrolyten (Fig. 6c). De waargenomen asymmetrie in de GCD-krommen (Fig. 6b) ontstaat door het optreden van sommige faradische reacties aan het oppervlak van composietfilms. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan de zuurstofbevattende functionele groepen gehecht aan de rGO-vellen en gefunctionaliseerde MWCNTs. De EIS wordt in essentie gebruikt om de elektrochemische prestaties van de films uit te voeren in termen van ionentransport en elektrische geleidbaarheid. De Nyquist-plots van GP10C in verschillende electrolyten worden onderzocht in het frequentiebereik van 0,1 Hz tot 100 KHz met wisselspanningsamplitude van 5 mV (Fig. 6d). De Nyquist-plot van GP10C bevat in essentie twee belangrijke componenten (reëel deel Z′ en imaginair deel Z″) die een complex vlak vertegenwoordigen waarin Z′ het ohmse gedrag toont; aan de andere kant toont Z″ het capacitieve gedrag van de filmelektrode. Dit kan theoretisch worden uitgelegd via drie frequentie-afhankelijke regio's, namelijk hoogfrequentieregio (impedantieboog), laagfrequentieregio en middenfrequentieregio (Warburg-impedantie).

Supercondensator werkt vergelijkbaar met een zuivere weerstand bij hogere frequentiebereik, terwijl bij lagere frequenties een scherpe toename in het imaginaire deel en een bijna verticale lijn waargenomen wordt, wat het zuivere capacitieve gedrag vertoont. De middenfrequentieregio vertegenwoordigt de interactie tussen elektrolytische ionen en de porieuze actieve plaatsen van filmelektrodes. Verder spelen in EIS de ionische weerstand van elektrolyt, de interne weerstand van stroomverzamelaar en actief materiaal, en elektrode-stroomverzamelaar interface contactweerstand een sleutelrol bij het bepalen van de effectieve serieweerstand (ESR) of oplossingsweerstand (Rs). In de hoogfrequentieregio van de Nyquist-kromme kan ESR worden waargenomen door de puntwaarde waar de kromme de reële as snijdt. De waarde van Rs blijkt kleiner (~ 1,1 Ω) voor KOH dan die gemeten voor NaOH (~ 1,6 Ω) en LiOH (~ 1,9 Ω). Het is ook opmerkelijk dat de diameter van de halve cirkelboog in de hoogfrequentieregio en de lengte van de hellende lijn onder een hoek van 45° in de middenfrequentieregio de vertegenwoordigers zijn van diffusieweerstand en Warburg-weerstand, respectievelijk. In dit opzicht vertoont GP10C kleinere diffusieweerstand en Warburg-weerstanden in KOH, vergeleken met die van LiOH en NaOH. De uitstekende prestaties van de GP10C-elektrode in KOH kan worden geassocieerd met een kleinere gehydrateerde ionische straal en hogere ionische geleidbaarheid van K⁺ ion (64,3 Ohm⁻¹ cm² mol⁻¹) vergeleken met die van Na⁺ (43,5 Ohm⁻¹ cm² mol⁻¹) en Li⁺ (33,5 Ohm⁻¹ cm² mol⁻¹) ionen. Aan de andere kant wordt de ionische mobiliteit verbeterd door een lagere gehydrateerde ionische straal van K⁺ ion, wat toegang tot het elektrodeoppervlak verkrijgt, resulterend in een verbeterde elektrochemische prestaties van de GP10C-elektrode. Een duidelijke uitleg van de K⁺, Na⁺ en Li⁺ ionen met gehydrateerde ionische stralen, 232, 276 en 340 pm, respectievelijk, wordt getoond in Fig. 7. In plaats van uiterlijke factoren, blijkt de echte ionische straal omgekeerd evenredig met de Coulombkracht in het licht van de formule F = KQ₁Q₂/r², waar F de Coulombkracht is, r de afstand tussen twee ladingen (Q₁ en Q₂) en K de Coulomb's constante is. De ionische straal volgt de volgorde van rK+ (= 138 pm) > rNa⁺ (= 102 pm) > r Li⁺ (= 76 pm), dus de Coulombkracht volgt de volgorde van K⁺ < Na⁺ < Li⁺. De grotere Coulombkracht zal verenigd worden met een groter aantal watermoleculen, waardoor de gehydrateerde ionische straal groter wordt, daarom heeft K⁺ ion een lagere gehydrateerde ionische straal. Op basis van de bovengenoemde resultaten en discussie, wordt KOH waterige elektrolyt gevonden als een meest geschikte elektrolyt onder de drie bestudeerde electrolyten voor de rGO/MWCNT filmelektrode.

Elektrochemische prestaties van rGO/MWCNT-films

We onderzochten ook het effect van MWCNT-toevoeging op de elektrochemische prestaties van rGO/MWCNT-films in een drie-elektrode opstelling met 2 M KOH elektrolyt. Figuur 8a toont de CV-krommen van de als-gesynthetiseerde rGO, GP5C, GP10C en GP15C filmelektrodes opgenomen bij een scansnelheid van 50 mVs⁻¹ in het potentiaalbereik − 0,9 tot 0,0 V. Evidentieel, in vergelijking met GP, GP5C en GP15C, bezit de CV-kromme van GP10C het grootste oppervlak en behoort het tot bijna rechthoekige vorm, wat de elektrische dubbellaag (EDL) capacitieve gedrag van deze elektrode met hogere SC-waarde impliceert. Figuur 8b vertegenwoordigt de GCD-krommen van alle films opgenomen bij 1 Ag⁻¹ in het potentiaalbereik − 0,9 tot 0,0 V. Verder, vergelijkbaar met CV-resultaten, bevestigen de lading/ontlading-krommen die bijna driehoekig van vorm zijn ook het elektrische dubbellaag condensator (EDLC) gedrag van de filmelektrodes. Hier is het duidelijk dat de GP10C aanzienlijk langere ontladingstijd (∆t) heeft, en dus hogere SC onder de gesynthetiseerde films. De waarden van CVs berekend uit de GCD-krommen met Verg. (2) als functie van ontladingstroomdichtheden worden getoond in Fig. 8c. De GP10C vertoont specifieke capaciteiten van 200, 161, 147, 137, 134, 123, 120 en 114 Fg⁻¹ bij 0,25, 0,5, 1, 2, 3, 5, 7 en 10 Ag⁻¹, respectievelijk, en het kan ~ 57% van de initiële capaciteitswaarde (200 Fg⁻¹) handhaven van 0,25 tot 10 Ag⁻¹. De specifieke capaciteit van rGO neemt significant toe na de toevoeging van MWCNTs, wat duidelijk is uit de elektrochemische prestaties van GP5C en GP10C monsters. De verbeterde elektrochemische prestaties van het composiet kunnen worden toegeschreven aan het feit dat CNTs de restapeling van rGO-vellen voorkomen en dus de elektrolytische ionen faciliteren om dieper in de filmmonsters te bewegen. Naarmate de hoeveelheid CNTs verder toeneemt dan de optimale waarde, daalt de specifieke capaciteit, wat kan worden toegeschreven aan de beperkte disperseerbaarheid en slechte specifieke capaciteit (~ 20 F/g) van MWCNTs.

Bovendien daalt de specifieke capaciteit van alle gesynthetiseerde films met een toename in de stroomdichtheid omdat de diffusie van elektrolytische ionen in de filmelektrodes langzamer wordt bij hogere stroomdichtheidswaarden. Figuur 8d toont de Nyquist-plots van alle elektrodes, wat aangeeft dat met een toename van MWCNT-inhoud, de interne weerstand begint te dalen. De interne weerstand is de ohmse weerstand, die bestaat uit ionische weerstand van elektrolyt, inherente weerstand van substraat en actief elektrodemateriaal en contactweerstand aan de interface van actief elektrodemateriaal en substraat. GP10C filmelektrode toont de kleinste interne weerstand (1,14 Ω), terwijl de interne weerstanden voor rGO, GP5C en GP15C ongeveer 2,2, 1,41 en 1,19 Ω zijn, respectievelijk. De kleinere waarde van interne weerstand voor GP10C-film kan worden toegeschreven aan het betere contact en de hogere elektrische geleidbaarheid. De "knie" frequentie is gedefinieerd als de hoogste frequentiewaarde waarbij de impedantie van het systeem gedomineerd wordt door de capacitieve aard. Het is gerelateerd aan de diffusiecoëfficiënt en effectieve diffusielengte van het actieve elektrodemateriaal. Verder, bij frequenties hoger dan de kniefrequentie, komen elektrolytische ionen semi-oneindige diffusie tegen en eindige diffusie bij frequenties lager dan deze. De kniefrequentiewaarden voor GP5C, GP10C en GP15C zijn 1,37, 1,49 en 1,10 Hz, respectievelijk. De hogere kniefrequentiewaarde voor GP10C impliceert dat minder tijd nodig is voor de ladingsdeeltjes om te accumuleren aan de interface voor dit monster. Verder is het goed gedocumenteerd dat een grotere halve cirkel in de hoog-tot-midden frequentie regio overeenkomt met een grotere ladingsoverdrachtsweerstand (Rct). De Rct voor GP15C-film lijkt aanzienlijk hoger te zijn dan die van GP10C, wat kan zijn door de lagere elektrische geleidbaarheid en hogere contactweerstand met waterige elektrolyt.

Verder kan EIS-data worden gebruikt om de relaxatietijdconstante (τ₀) van apparaten zoals supercondensatoren te bepalen in termen van complexe vermogen met behulp van Verg. (8) en (9). Relaxatietijdconstante (τ₀) is een belangrijke parameter en wordt beschouwd als een verdienste-factor voor een supercondensator. Om de relaxatietijdconstante te bepalen, worden genormaliseerde imaginaire factor (|Q|/|S|) en reële factor (|P|/|S|) van vermogen uitgezet vs. frequentie (in logaritmische schaal) (Fig. 9). Beide twee krommen snijden elkaar in een punt genaamd resonantiefrequentie (f_°), die wordt gebruikt om de relaxatietijd van een supercondensator te berekenen met de volgende formule: τ₀ = 1/2πf₀. Uit de grafieken observeren we dat bij een hogere frequentie, |P|/|S| de maximale waarde bereikt, wat impliceert dat maximaal vermogen in het systeem wordt gedissipeerd, d.w.z. supercondensator gedraagt zich vergelijkbaar met een zuivere weerstand. Naarmate de frequentie daalt, daalt |P|/|S| tot een punt waarop |Q|/|S| de hoogste waarde bereikt. Op dit punt werkt de supercondensator vergelijkbaar met een zuivere condensator. Evidentieel, voor alle geteste films GP(rGO), GP5C, GP10C en GP15C, gedragen zowel de |P|/|S| en |Q|/|S| krommen contrair met frequentievariatie en snijden elkaar in resonantiefrequentie (f_°). De relaxatietijdconstante waarden voor GP, GP5C, GP10C en GP15C zoals berekend met resonantiefrequenties zijn 1,3 s, 196 ms, 194 ms en 378 ms, respectievelijk. Na het toevoegen van MWCNTs in de rGO-film, daalt de relaxatietijd opmerkelijk. Dit kan zijn doordat CNTs de restapeling van rGO-vellen voorkomen en dus de elektrolytische ionen sneller in de film laten bewegen. Naarmate de hoeveelheid MWCNTs verder toeneemt (15 wt%) in de rGO-film, wordt een toename in de relaxatietijdconstante waargenomen. Dit kan worden toegeschreven aan de kleinere diameter van MWCNTs (10–20 nm) die hogere ionische diffusieweerstand bieden, wat significant wordt naarmate de hoeveelheid MWCNTs verder toeneemt dan de optimale waarde. EIS-resultaten kunnen ook worden gebruikt om de diffusiecoëfficiënten van de gesynthetiseerde films voor elektrolytische ionen te bepalen (Fig. 9d). De berekende diffusiecoëfficiënten (D_a) van elektrolytische ionen aan de interface regio met Verg. (7) komen uit op 1,0112 × 10⁻¹³, 8,0286 × 10⁻⁹, 7,8457 × 10⁻⁹ en 2,1919 × 10⁻⁹ voor GP, GP5C, GP10C en GP15C, respectievelijk, in 2 M KOH. Het is te zien dat de relaxatietijdconstante en diffusiecoëfficiënt van GP5C en GP10C bijna hetzelfde zijn, maar de Cs en snelheidsvermogen van GP10C is veel beter dan die van GP5C. De kleine relaxatietijdconstante en hoge diffusiecoëfficiënt van GP10C filmelektrode, laten het opgeslagen energie snel leveren, en hoge specifieke capaciteit maken het wenselijk voor het ontwerpen van hoge-vermogen condensatoren.

Uit de bovengenoemde resultaten vertoont GP10C film-gebaseerde supercondensator elektrode de beste elektrochemische eigenschappen onder de gesynthetiseerde films. Daarom onderzoeken we de elektrochemische prestaties ervan in detail. Figuur 10a geeft de CV-krommen van GP10C bij 5, 10, 25, 50 en 100 mVs⁻¹ in het potentiaalbereik − 0,9 V tot 0,0 V vs Ag/AgCl referentie-elektrode. Er wordt getoond dat alle CV-krommen bijna rechthoekige en symmetrische vorm bezitten, wat het perfecte EDL capacitieve gedrag en snelle lading/ontlading kenmerken aangeeft. De inset in Fig. 10a toont een bijna lineaire relatie tussen gemiddelde piekstroom en de wortel van de scansnelheid met correlatiecoëfficiënt R² = 0,98878. Dit fenomeen geeft aan dat het elektrochemische proces in de film een diffusie-gecontroleerd proces is. Figuur 10b vertegenwoordigt de GCD-krommen van GP10C geëvalueerd bij 0,25 tot 10 Ag⁻¹ in − 0,9 tot 0,0 V. Tijdens het lading/ontlading proces bevestigen de overeenkomstige krommen ook dat de laadkromme van GP10C bijna symmetrisch is ten opzichte van de bijbehorende ontladingskromme. Om de duurzaamheid van de GP10C te evalueren, werd de lange cyclustest uitgevoerd in 2 M KOH elektrolyt bij 2 Ag⁻¹. Figuur 10c toont de lange cyclusstabiliteit, wat een andere belangrijke parameter is om de elektrochemische prestaties van een elektrodemateriaal te onderzoeken. Na 15.000 cycli vertoont GP10C-elektrode een uitstekende retentie van 92,5%. De inset in Fig. 10c toont de eerste en laatste 5 opeenvolgende cycli. Het demonstreert dat zelfs na 15.000 cycli de elektrode goede symmetrische lading/ontlading kenmerken behoudt, wat de uitstekende elektrochemische duurzaamheid verifieert. Figuur 10d vertegenwoordigt de Nyquist-plots van de GP10C-elektrode opgenomen tijdens lange cyclustest. Het kan worden waargenomen dat de waarde van interne weerstand hoger wordt tijdens het cyclisch proces van de eerste cyclus tot 15.000 cycli. GP10C-elektrode toont laagste interne weerstand (1,12 Ω) tijdens de eerste cyclus en na 10.000 en 15.000 cycli, naarmate de elektrochemische actieve plaatsen in de elektrode langzaam worden geconsumeerd, stijgen de waarden van interne weerstand van 2,64 tot 3,04 Ω, respectievelijk. Als gevolg daarvan daalt de CV-waarde langzaam en herhaaldelijk tijdens elektrochemisch cyclen (Fig. 10c). Verder, om eventuele morfologische veranderingen in de GP10C filmelektrode na lange cyclustest te vinden, voerden we ex situ studies uit (FESEM en TEM), en de resultaten worden getoond in Fig. 11. Figuur 11a toont de TEM-afbeeldingen van GP10C-elektrode voor de lange cyclustest, terwijl Figs. 11b en c de FESEM- en TEM-afbeeldingen van de GP10C na 15.000 cycli vertegenwoordigen. We kunnen zien dat de morfologie van de GP10C-elektrode niet verandert zelfs na 15.000 cycli, wat de volhoubare chemische stabiliteit van de film onthult. De waargenomen capaciteit van GP10C filmelektrode is hoger dan die van diverse recent gerapporteerde vrijstaande grafene-gebaseerde supercondensator elektroden zoals getoond in Tabel 1.

Elektrochemische prestaties van symmetrische supercondensator

Verder, om de praktische toepassing van de GP10C-film te onderzoeken, maakten we een symmetrische muntcel supercondensator met twee GP10C elektroden van identiek gewicht gescheiden door een scheider in 2 M KOH waterige elektrolyt. Figuren 12a en b tonen de CV-profielen van het apparaat bij de scansnelheden van 2, 5, 10, 15, 25, 50, 75 en 100 mVs⁻¹. We kunnen bijna identieke rechthoekige vorm observeren, wat het perfecte EDLC-gedrag van de supercondensator impliceert. Figuur 12c vertegenwoordigt de lineaire GCD-krommen bij alle stroomdichtheden die het hoge snelheidsvermogen van het apparaat demonstreren. Bovendien duidt de kleinere interne weerstand (0,4 Ω) van de muntcel op beter ladingstransport in de supercondensator (Fig. 12d). De berekende specifieke capaciteiten uit CVs van het apparaat (Fig. 12e) zijn 53, 51, 49,8, 48, 46,7 en 45 Fg⁻¹ bij 0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 0,7 en 1,0 Ag⁻¹, respectievelijk. Uit het capaciteitsprofiel (Fig. 12e) is duidelijk te zien dat het apparaat 85% van de initiële capaciteitswaarde bij stroomdichtheid 0,1 Ag⁻¹ tot 1 Ag⁻¹ behoudt, d.w.z. goed snelheidsvermogen. Bovendien berekenen we de energiedichtheid (Whkg⁻¹) en vermogendichtheid (Wkg⁻¹) van het apparaat met de onderstaande vergelijkingen:

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

$$ P=\frac{E}{\Delta t}\times 3600 $$ (9)

waarbij Cs de SC is berekend uit de GDC-krommen, ∆V het potentiaalvenster is, t de ontladingstijd (s).

Het apparaat vertoont maximum en minimum energiedichtheden van 29,4 en 25,0 Whkg⁻¹ bij vermogendichtheden van 439 en 4500 Wkg⁻¹, respectievelijk (Fig. 12f).

Dit symmetrische apparaat toont een uitstekende retentie van ~ 85% en coulombische efficiëntie van 92% na 10.000 opeenvolgende cycli bij 0,3 Ag⁻¹ (Fig. 13a). De uitstekende cyclischheid van het apparaat kan worden toegeschreven aan de elektrochemische stabiliteit van het actieve elektrodemateriaal. In de GP10C nanocomposietfilm voorkomt de optimale hoeveelheid MWCNTs voornamelijk de restapeling van rGO-vellen en biedt dus een meer blootgesteld gebied aan de elektrolytische ionen voor oppervlakteadsorptie. Dit versterkt ook de materiaalstructuur om structurele deformatie bij cyclen te weerstaan. De ex situ TEM en FESEM micrografieken van de geteste elektrode na 15.000 cycli (Fig. 11a–c) verifiëren het gedrag dat de morfologie van GP10C elektrode hetzelfde blijft zelfs na 15.000 cycli, wat de volhoubare chemische stabiliteit van de gesynthetiseerde composietfilm onthult. De inset in Fig. 13a toont de GCD-profielen van 1e, 5000e en 10.000e lading-ontladingscycli, wat de symmetrische lading/ontlading kenmerken van het apparaat aangeeft. De hoge retentie zelfs na 10.000 continue lange cycli verifieert de uitstekende elektrochemische duurzaamheid. Figuur 13b toont de Nyquist-plots van het apparaat tijdens lange cyclustest, wat impliceert dat met herhaalde cycli de Warburg-regio in de middenfrequentieregio toeneemt. Dit kan worden toegeschreven aan de consumptie van actieve plaatsen gepresenteerd in het actieve materiaal van de supercondensator elektrodes tijdens een lange cyclische test, wat resulteert in een toename van de interne weerstand van het apparaat. De inset (Fig. 13b) toont dat onze symmetrische muntcel een rode LED kan laten oplichten. Verder toont ons ontworpen FSSSD met GP10C flexibele filmelektroden en gelektrolyt geen significante veranderingen in de vorm van CV-krommen wanneer het apparaat gebogen wordt onder hoeken van 0 tot 180° bij een scansnelheid van 20 mVs⁻¹ (Fig. 13c). Digitale foto's van het apparaat onder de buighoeken 0°, 60°, 90° en 180° worden getoond in Fig. 13d–g, respectievelijk.

De bovengenoemde resultaten bewijzen de potentiële toepassingen van onze gesynthetiseerde GP10C-film voor supercondensatoren. Bovendien kan deze gemakkelijke benadering toekomstige perspectieven openen voor toepassingen van energietopslagapparaten.

Conclusies

Samengevat, eenvoudige en kosteneffectieve rGO/MWCNT flexibele filmelektrodes werden gesynthetiseerd via de eenvoudigste chemische route. De effecten van MWCNT-toevoeging op de elektrochemische prestaties van rGO/MWCNT nanocomposietfilms werden onderzocht in verschillende alkaline electrolyten, KOH, LiOH en NaOH. Op basis van experimentele bevindingen vertoont GP10C de beste elektrochemische prestaties in 2 M KOH met SC van 200 Fg⁻¹. Deze gesynthetiseerde filmelektrode demonstreert uitstekende duurzaamheid met 92% retentie na 15.000 lange cyclustest, kleine relaxatietijdconstante (~ 194 ms) en hoge diffusiecoëfficiënt (7,8457 × 10⁻⁹ cm² s⁻¹) in 2 M KOH waterige elektrolyt. De superieure elektrochemische prestaties van GP10C kunnen worden toegeschreven aan de kleinere hydratatiesfeerradius en hogere ionische geleidbaarheid van K⁺ kationen. De symmetrische munt supercondensatorcel met GP10C als zowel anode als kathode en 2 M KOH als elektrolyt vertoont perfect EDLC-gedrag met maximum energiedichtheid en vermogendichtheid van 29,4 Whkg⁻¹ en 4500 Wkg⁻¹, respectievelijk. Onze symmetrische cel demonstreert uitstekende retentie van 85,3% en coulombische efficiëntie van 92% na 10.000 opeenvolgende cycli bij 0,3 Ag⁻¹. Verder toont het ontworpen FSSSD met GP10C flexibele filmelektroden en gelektrolyt geen significante veranderingen in de vorm van CV-krommen wanneer het apparaat gebogen wordt onder hoeken van 0 tot 180° bij 20 mVs⁻¹. We geloven dat onze rGO/MWCNT nanocomposietfilm geschikt is voor praktische toepassingen en geschikt is voor het ontwerpen van hoge capacitieve energietopslag (supercondensatoren of Li-batterijen), conversie en draagbare apparaten.