Modificação do óxido de grafeno reduzido pela condução de polímero por meio de um método de polimerização hidrotérmica e sua aplicação como eletrodos de armazenamento de energia

Resumo

Nós relatamos a deposição química in situ de polímero condutor poli (3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT) em nanofolhas de óxido de grafeno reduzido (rGO) por meio de um método de polimerização hidrotérmica simples. Os grupos funcionais em óxido de grafeno (GO) foram empregados diretamente como um oxidante para desencadear a polimerização de 3,4-etilenodioxitiofeno (EDOT), e as nanofolhas GO foram reduzidas em rGO em um ambiente aquoso. A ancoragem do poço de PEDOT ultrafino em rGO através deste método livre de oxidante foi confirmada por espectro UV-Vis, espectro FT-IR, SEM e análise de TEM. O óbvio aumento da condutividade foi observado após a cobertura do PEDOT no rGO, e este composto apresentou alta condutividade de cerca de 88,5 S / cm. Os resultados do desempenho eletroquímico revelaram que o eletrodo composto rGO / PEDOT exibe alta capacitância específica de cerca de 202,7 F / g. O bom efeito sinérgico entre PEDOT e rGO também garante a reversibilidade altamente estável do eletrodo composto durante o processo de carga / descarga, e mais de 90% da capacitância inicial é retida após ciclos de 9000 vezes. Além disso, o eletrodo baseado em rGO / PEDOT depositado no tecido de algodão apresenta excelente capacidade flexível com a evidência de que 98% da capacitância inicial do eletrodo é mantida após três mil flexões livres, o que mostra desempenho promissor de armazenamento de energia para dispositivos flexíveis.

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Destaques da pesquisa

Neste artigo, como uma maneira fácil e fácil, os grupos funcionais em óxido de grafeno (GO) foram empregados diretamente como um oxidante para desencadear a polimerização de 3,4-etilenodioxitiofeno (EDOT) e as nanofolhas GO foram reduzidas em rGO de acordo com um meio aquoso. A alta capacitância específica e a alta condutividade do eletrodo composto foram obtidas por meio deste método simples. O eletrodo composto também apresentou boa estabilidade e flexibilidade de ciclo, o que exibiu um futuro promissor para a construção de dispositivos flexíveis de alto desempenho.

Introdução

Nos últimos anos, polímeros condutores (CPs) que são altamente condutores e eletroquimicamente ativos têm sido focados em algumas aplicações promissoras, como célula solar [1,2,3], sensores [4,5,6,7,8], armazenamento de energia dispositivos [9,10,11] e bioeletrônica [12,13,14]. Os dispositivos de armazenamento de energia, como os supercapacitores, têm empregado o polímero condutor como eletrodos de alta eficiência, que podem proporcionar alta pseudocapacitância devido ao seu processo reversível de oxidação / redução em eletrólitos [15,16,17,18]. A fim de obter eletrodo eletroquímico a base de polímero condutor com alta estabilidade, a incorporação de polímero condutor com materiais de carbono e materiais de óxido metálico com nanoestrutura tem sido extensivamente investigada [19,20,21,22]. Devido ao desempenho altamente estável desses materiais, a melhoria significativa da estabilidade eletroquímica do polímero condutor foi alcançada, o que também resulta na construção de dispositivos com excelente desempenho de armazenamento de energia [23, 24]. Nestes aspectos, incorporar polímero condutor com nanomateriais de carbono é mais adequado para obter eletrodos compósitos com alta densidade de energia e densidade de potência simultaneamente. Além disso, em comparação com materiais inorgânicos, a excelente flexibilidade do polímero condutor também beneficia para a construção de eletrodo flexível, mesmo os dispositivos flexíveis para sistemas eletrônicos vestíveis [25,26,27,28,29].

Os eletrodos de polímero condutor / nanomaterial de carbono exibem alta densidade de energia devido à combinação de pseudocapacitância e capacitância elétrica de camada dupla (EDLC) [15, 30,31,32]. Portanto, o efeito sinérgico otimizado entre dois componentes é vital para a obtenção de um eletrodo composto com alta capacitância específica e alta estabilidade, o que significa que o desempenho do eletrodo depende muito do método de preparação. Para a obtenção de estruturas heteroestruturadas, diferentes métodos, como mistura física [33,34,35], polimerização eletroquímica [36] e polimerização química in situ com oxidante [37,38,39,40], foram empregados para preparar o polímero condutor e seu composto como eletrodos supercapacitores. Quanto ao método de mistura física, a distribuição do poço e a liga de dois componentes devem ser consideradas com cuidado para evitar a separação de fases durante o ciclo de longa duração. Assim como a polimerização química in situ com oxidante em uma solução ou ambiente gasoso, devido à polimerização do monômero em nanomateriais de carbono com um processo termodinâmico, excelente efeito sinérgico foi confirmado nestes materiais compósitos [41, 42]. No entanto, ambos os métodos de polimerização in situ são sofridos com dificuldade para remover o excesso de oxidante, o que terá grande influência na morfologia e no desempenho relacionado dos compósitos preparados [43, 44]. Portanto, tem grande demanda para preparar polímero condutor / nanomateriais de carbono com um método livre de oxidante, que produzirá compósitos de forma simples e fácil, acoplando as vantagens dos nanomateriais de carbono e polímero condutor.

Neste trabalho, com base na processabilidade da solução de GO e grupos funcionais em folhas de GO, o polímero condutor poli (3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT) foi ancorado em folhas de GO por meio de um método simples de polimerização hidrotérmica. Os grupos funcionais em folhas GO desempenham um papel como um oxidante para desencadear a polimerização do monômero 3,4-etilenodioxitiofeno (EDOT), e um óxido de grafeno reduzido (rGO) / nanocompósito PEDOT foi obtido. Devido a este método livre de oxidante, a modificação ultrafina e ultramolecular do polímero condutor em nanofolhas rGO foi alcançada. O nanocompósito rGO / PEDOT resultante foi estudado como materiais de eletrodo eletroquímico promissores para aplicações de supercapacitores.

Materiais e métodos

Materiais

Flocos de grafite usados ​​para a preparação de GO foram adquiridos da Sigma-Aldrich. GO foi sintetizado a partir de flocos de grafite natural preparados através do método de Hummer [45]. Para polimerização química in situ, o monômero EDOT foi adquirido da Bayer Company. Outros reagentes químicos com grau analítico foram adquiridos da Chengdu Kelong Chemical Reagent Company e usados ​​conforme recebidos.

Preparação do nanocompósito rGO / PEDOT

Cinqüenta microlitros de monômero de EDOT foram introduzidos em 50 ml de água DI com agitação magnética por 2 h para preparar a solução de EDOT. A dispersão de GO estável foi preparada pela introdução de 1,5 g de folhas de GO em 30 ml de água DI e submetida a agitação magnética por 1 h seguida por centrifugação a 2500 rpm. Subsequentemente, 10 ml de solução de EDOT foram gota a gota na solução GO com agitação magnética a 60 ° C por 6 h e, em seguida, a temperatura da reação foi aumentada para 90 ° C pelo menos 2 h para a polimerização adicional de EDOT e redução de GO ( rGO / PEDOT1). O diagrama esquemático da polimerização EDOT e redução do GO é apresentado na Fig. 1. A fim de comparar a influência dos conteúdos de GO no desempenho do compósito obtido, diferentes massas de GO foram adicionadas à água DI para a reação hidrotérmica. Portanto, conforme mencionado no processo de preparação acima, todos os parâmetros experimentais são os mesmos, exceto a massa GO adicionada à água DI. Consequentemente, as folhas GO de 3 g, 4 ge 4,5 g produziram os compósitos rGO / PEDOT2, rGO / PEDOT3 e rGO / PEDOT4, respectivamente. O rGO puro foi obtido através do método hidrotérmico mencionado acima.

O diagrama esquemático da polimerização hidrotérmica de rGO / PEDOT

Teste de caracterização e desempenho eletroquímico

A morfologia da superfície de GO e rGO / PEDOT foi investigada usando um microscópio eletrônico de varredura (SEM, Hitachi, Modelo S-2400). O espectro UV-Vis do filme foi caracterizado por um espectrômetro UV-1700 (SHIMADZU). O espectro FT-IR foi obtido com um instrumento de análise ALPHA (Alemanha). Para o ensaio de condutividade, o rGO obtido e o pó compósito foram comprimidos em um cilindro com o tamanho de 5 mm (raio) x 2 mm (altura) e testados em temperatura ambiente. A condutividade elétrica foi testada por um sistema de teste SX193 Four-Probe (Baishen, Suzhou, China). Os espectros de XPS foram realizados usando um espectrômetro de fotoelétrons Escalab 250Xi (Thermo Fisher Scientific, EUA). Os espectros Raman foram registrados em um modelo Alpha300 com um laser de 532 nm (WITec, Alemanha). O desempenho eletroquímico foi investigado usando uma estação de trabalho eletroquímica CHI600 (Chenhua, Shanghai, China). Voltametria cíclica (CV), carga-descarga galvanostática (GCD) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) foram realizadas com 1 mol / L H ₂ SO ₄ eletrólito aquoso usando uma folha de platina como contra-eletrodo e Ag / AgCl como eletrodo de referência. Todas as medições foram realizadas à temperatura ambiente.

Resultados e discussão

O espectro UV-Vis de GO, rGO hidrotermal tratado e rGO / PEDOT hidrotermal polimerizado é mostrado na Fig. 2. O GO puro mostra duas bandas de absorção principais, e o pico máximo se apresenta em 225 nm, atribuindo ao π → π * transição da ligação C =C. Um pico de absorção fraco em 297 nm resultante do n → π * transição da ligação C =O também é observada [46]. Após o tratamento hidrotérmico, o rGO obtido mostra diferentes picos característicos com a evidência de que o pico de 225 nm muda para 241 nm e o pico de 297 nm desaparece. Este resultado indica que o tratamento hidrotérmico remove parcialmente os grupos funcionais nas folhas GO. A cor da solução GO também muda de amarelo para preto profundo após este tratamento hidrotérmico (como mostrado na Fig. 1). Na Fig. 2, podemos ver que o composto rGO / PEDOT mostra um pico de absorção em 270 nm, que vem do π → π * transição de rGO [46]. Além disso, um amplo pico de absorção de 450 nm até o comprimento de onda do infravermelho próximo aparece no espectro devido à absorção típica de polarons e bipolarons em PEDOT polimerizado [24]. Após a adição do monômero EDOT na solução GO, o tratamento hidrotérmico desencadeia a polimerização do EDOT e o GO é reduzido para rGO de acordo, e este método de polimerização livre de oxidante produz o composto rGO / PEDOT em um ambiente aquoso com sucesso. Também pode ser visto na Fig. 2 que com o aumento da massa do GO durante a polimerização hidrotérmica, o rGO / PEDOT obtido mostra um deslocamento mais óbvio do pico de absorção, subindo de π → π * transição para comprimento de onda mais longo do que rGO puro. Esse resultado revela que mais grupos funcionais em GO foram empregados para desencadear a polimerização de EDOT na condição livre de oxidante.

Espectro UV-Vis de GO, rGO tratado hidrotérmico e rGO / PEDOT polimerizado hidrotérmico

As análises FT-IR e Raman foram empregadas para confirmar quais grupos funcionais desencadeiam a polimerização do monômero EDOT durante o tratamento hidrotérmico. A Figura 3a mostra o espectro de FT-IR de GO, rGO tratado hidrotérmicamente e diferentes compósitos rGO / PEDOT. O pico de absorção é de 3395 cm ⁻¹ e 1726 cm ⁻¹ vêm da vibração de alongamento da ligação C – OH e ligação C =O localizada na borda GO. O 1620 cm ⁻¹ pico representa a absorção de vibração da ligação C =C e 1420 cm ⁻¹ pico subindo da ligação –OH deformada no plano GO [47]. O 1188 cm ⁻¹ resultados de pico da vibração das ligações C – O [48]. Após o tratamento hidrotérmico, os picos situam-se a 3395 cm ⁻¹ e 1419 cm ⁻¹ foram enfraquecidos obviamente, indicando a remoção parcial do grupo –OH. A densidade de pico localizada em 1726 cm ⁻¹ e 887 cm ⁻¹ resultou da absorção de –OH e C – O – C, que também enfraquece distintamente e até mesmo desaparece, indicando que os grupos funcionais acima foram reduzidos e são realizados como possíveis locais ativos para a polimerização de EDOT [49, 50]. A redução de GO também é confirmada com a evidência de que a densidade de pico de 1571 cm ⁻¹ aumenta obviamente, resultante da absorção da ligação C =C, que indica a recuperação da estrutura conjugada simples de rGO [51].

a Espectros FT-IR de GO, rGO tratado hidrotérmico e rGO / PEDOT polimerizado hidrotérmico. b Espectros Raman de GO, rGO tratado hidrotérmico e rGO / PEDOT polimerizado hidrotérmico

Após o tratamento hidrotérmico da solução EDOT / GO, o espectro FT-IR do compósito mostra picos característicos do polímero PEDOT. Pode-se ver que o espectro do composto mostra picos de série em 687 cm ⁻¹ , 839 cm ⁻¹ , 930 cm ⁻¹ e 980 cm ⁻¹ , que surgem da vibração da ligação C-S em PEDOT [52, 53]. Além disso, os picos localizados em 1026 cm ⁻¹ , 1137 cm ⁻¹ e 1195 cm ^{- 1} também foram observados devido ao alongamento da absorção da ligação C – O – C em alquilenodioxi [54, 55]. Portanto, comparando o espectro FT-IR de GO com rGO / PEDOT, o desaparecimento distinto de –OH (localizado a 1420 cm ⁻¹ ) e C – O – C (localizado a 887 cm ⁻¹ ) absorção foi observada, indicando que esses dois grupos funcionais desencadeiam a polimerização de EDOT principalmente durante o tratamento hidrotérmico [56].

O espectro Raman de GO, rGO tratado hidrotérmicamente e rGO / PEDOT polimerizado hidrotérmico é mostrado na Fig. 3b. Comparado com GO e rGO puros, o rGO / PEDOT mostra novos picos característicos a 1427 cm ⁻¹ e 1501 cm ⁻¹ , e esses picos são atribuídos à vibração de alongamento simétrico e assimétrico da ligação C =C no PEDOT. Os picos localizados em 1361 cm ⁻¹ e 1267 cm ⁻¹ são atribuídos a C _β –C _β e C _α –C _α do anel tiofeno. O pico localizado em 987 cm ⁻¹ surge da vibração deformada do anel de oxietileno [57]. Dois picos em 2856 cm ⁻¹ e 2939 cm ⁻¹ são atribuídos a PEDOT dopado [58,59,60].

A fim de investigar melhor o compósito obtido, a análise XPS é utilizada para confirmar a redução do GO e a polimerização do monômero EDOT. A Figura 4 mostra os espectros XPS completos do compósito após o tratamento hidrotérmico. Isso mostra claramente que apenas os elementos C, S e O se distribuem no composto. O pico em 980 eV é correspondente ao pico Auger do elemento O, e o pico em 529 ~ 537 eV é atribuído ao O _1s . Os picos em 229 eV e 165 eV resultam de S _1s e S _2p , respectivamente. De acordo com os conteúdos relativos de C, O e S no composto, a razão de átomos calculada de C / O, C / S e O / S é 3,42, 14,95 e 4,38, respectivamente. Verificou-se que a proporção de átomos reais de C / S e O / S é maior do que PEDOT puro (10,33 e 4,07). Concluímos que o -OH e C-O-C desencadeiam a polimerização do monômero EDOT principalmente, e alguns outros grupos funcionais em GO não serão reduzidos neste processo. Assim, os grupos residuais em rGO aumentarão a razão dos átomos C e S de acordo.

Espectros XPS de rGO / PEDOT. a Espectros completos. b C _1s . c O _1s . d S _2p

A Figura 4 b, c e d mostram os picos de ajuste C1s, O1s e S2p de rGO / PEDOT caracterizados por XPS. Nos espectros de C1s, o pico de alta intensidade localizado em 284,8 eV é atribuído à hibridização sp2 em ligações C – C / C =C [61]. Os picos localizados em 285,8 eV e 288,8 eV aumentam da ligação C – S em PEDOT e carboxila não removida, respectivamente. O pico presente em 286,7 eV resulta da ligação C-O-C no anel tiofeno. Quanto aos picos de O1s, o pico localizado em 533,1 eV é atribuído ao grupo epóxi e ligação C – O – C em PEDOT, e os picos em 531,8 eV e 533,7 eV vêm dos grupos carboxila e carbonila não removidos na borda rGO. Os espectros de ajuste S2p mostram dois picos em 163,9 eV e 165,1 eV, que resultam dos picos giratórios S2p3 / 2 e S2p1 / 2 em C – S – C de PEDOT [62]. Além disso, verificou-se que em comparação com o espectro XPS de rGO puro obtido através do método hidrotérmico [63], o deslocamento da energia de ligação de cerca de 0,6 eV foi observado no rGO / PEDOT composto, e atribuímos isso à interação entre o rGO e PEDOT polimerizado, o que é consistente com os resultados de FT-IR. Combinando a análise FT-IR e XPS, podemos ainda confirmar que os grupos oxidrila e epóxi nas folhas GO atuam como locais ativos primários, desencadeando a polimerização do monômero EDOT, e o compósito rGO modificado por polímero condutor foi preparado por meio de polimerização hidrotérmica livre de oxidante simples método. A partir dos resultados acima, explicamos provisoriamente o mecanismo de polimerização. Por exemplo, de grupos C-O-C, atuando como gatilho de polimerização no ambiente de aquecimento do banho de água, a ligação C-O no anel GO começa a se quebrar, tornando o átomo O carregado negativamente, e a ligação C-H no EDOT começa a se quebrar simultaneamente. Portanto, sob a ação eletrostática, os elétrons livres desemparelhados no átomo O do grupo de oxigênio do anel GO atraem o H ⁺ quebrado do monômero EDOT. Consequentemente, uma ligação O-H na posição do grupo epóxi é formada e o monômero EDOT torna-se EDOT ^- radical. Combinando com dois H ⁺ íons, o átomo de O no grupo epóxi se separa do GO para formar uma molécula de água, e a nova molécula de EDOT torna-se EDOT ^- radical novamente. Após esta etapa, o radical EDOT se liga a uma nova molécula EDOT neutra e o radical dímero EDOT é formado. Ao mesmo tempo, outros monômeros EDOT continuam a se combinar com GO e o GO é gradualmente reduzido, acompanhado pela geração de água. Em seguida, os radicais dímero EDOT formados na etapa 2 movem-se para o grupo epóxi em GO devido à interação eletrostática, então PEDOT com alto grau de polimerização é formado. A ilustração esquemática total da reação é mostrada na Fig. 5. Além disso, uma possível conexão das folhas de grafeno pelo ligante EDOT por meio de uma reação redox também melhoraria o desempenho condutor do compósito.

O esquema do mecanismo de polimerização hidrotérmica de rGO / PEDOT

A Figura 6 mostra as imagens de SEM de rGO e rGO / PEDOT com tratamento hidrotérmico. Após o tratamento hidrotérmico, o rGO obtido exibe a morfologia típica de rugas (como mostrado na Fig. 6b), que não mostra nenhuma diferença distinta para as folhas GO (como mostrado na Fig. 6a). Quanto ao composto rGO / PEDOT, a morfologia com folhas rGO cobertas pela partícula PEDOT é apresentada (como mostrado na Fig. 6c), o que também é confirmado pela análise TEM (como mostrado na Fig. 6d). Estes resultados revelam que as partículas PEDOT são ancoradas com sucesso em folhas rGO através de um método de polimerização hidrotérmica livre de oxidante. A análise EDS também confirma a ancoragem da camada PEDOT nas folhas rGO com a evidência de que a distribuição dos elementos S e O é apresentada na camada composta.

Imagens SEM de a GO, b rGO tratado com hidrotermal, c rGO / PEDOT polimerizado hidrotérmico e d Imagem TEM de rGO / PEDOT

Devido à redução de GO em rGO e ancoragem de PEDOT altamente condutivo em placas rGO, o composto rGO / PEDOT obtido seria benéfico para maior condutividade. A Tabela 1 mostra a condutividade do GO, rGO e rGO / PEDOT após o tratamento hidrotérmico. Um aumento óbvio de condutividade é alcançado após a agitação hidrotérmica, indicando a redução parcial de GO em rGO. Além disso, após a reação hidrotérmica com a adição do monômero EDOT, o compósito obtido mostra o aumento drástico da capacidade condutiva. Em comparação com rGO tratado com hidrotermal, quase 4 ordens de magnitude de aumento de condutividade são observadas em rGO / PEDOT, devido à redução completa de GO e cobertura de PEDOT altamente condutivo em folhas rGO. A Tabela 1 também indica que a razão de massa de GO mostra influência distinta no desempenho condutivo do compósito obtido e uma adição otimizada de 4 g GO resulta em maior condutividade, que resulta da polimerização eficiente de EDOT e ancoragem de PEDOT em rGO.

Este compósito altamente condutor pode ser depositado em diferentes substratos facilmente por meio de métodos de pulverização ou de revestimento giratório à medida que os materiais do eletrodo e os desempenhos eletroquímicos são avaliados. A Figura 7 mostra as curvas de voltametria cíclica (CV) de eletrodos rGO tratados com hidrotermalidade e rGO / PEDOT polimerizados hidrotermicamente (Fig. 7a-d). Pode ser visto que um aumento distinto da área CV foi alcançado após a modificação do PEDOT nas folhas rGO. Tanto a pseudocapacitância de PEDOT quanto a capacitância elétrica de camada dupla (EDLC) de rGO atribuem à capacitância total dos eletrodos compostos. Com o aumento da taxa de varredura, observa-se o aumento relativo da área de cura CV, indicando o excelente desempenho da capacitância dos eletrodos compostos. A Figura 7e mostra as curvas CV de eletrodos compostos rGO / PEDOT preparados com diferentes razões de massa GO / EDOT. Foi demonstrado que com o aumento do conteúdo de GO em um conteúdo constante de monômero EDOT, os eletrodos rGO / PEDOT obtidos apresentam maior capacitância específica (SC) devido a mais GO serem reduzidos em rGO e o monômero EDOT polimerizado em PEDOT de forma mais eficiente. Este resultado também é consistente com a investigação do desempenho condutivo e indica que o conteúdo adequado de GO na reação hidrotérmica precisa ser otimizado para obter o composto com bom desempenho condutivo e eletroquímico.

Curvas CV de a rGO, b rGO / PEDOT1, c rGO / PEDOT2 e d rGO / PEDOT3 em diferentes taxas de tensão de varredura e e comparou a curva CV de rGO com diferentes rGO / PEDOT a uma taxa de tensão de varredura de 30 mV / s

Curvas de carga e descarga de corrente constante (GCD) de diferentes eletrodos rGO / PEDOT também são testadas, as quais são mostradas na Fig. 8a-c. Com o aumento da densidade da corrente de varredura, o aumento relativo da área de cura do GCD é observado, indicando o excelente desempenho de carga / descarga dos eletrodos compostos. O desempenho GCD dos eletrodos compostos também mostra uma relação dependente do conteúdo GO, que é mostrada na Fig. 8d. Com o aumento do conteúdo de GO durante a polimerização hidrotérmica, o aumento da área da curva GCD dos eletrodos compostos obtidos é observado, indicando que o desempenho aprimorado de armazenamento de energia pode ser alcançado em uma razão de massa de GO otimizada durante a reação hidrotérmica, que mostra a mesma tendência com CV atuação.

Curvas GCD de a rGO, b rGO / PEDOT2 e c rGO / PEDOT3 com o aumento da densidade da corrente de varredura. d Curvas GCD de rGO e diferentes eletrodos rGO / PEDOT a 0,053 A / cm ³ digitalizando a densidade atual

A Tabela 2 mostra a capacitância específica calculada (SC) de rGO e diferentes eletrodos rGO / PEDOT. A partir da tabela, podemos ver que a proporção adequada da massa GO mostra uma influência distinta no desempenho SC dos eletrodos compostos obtidos. O SC do eletrodo composto aumenta de 120,5 F / g para 202,7 F / g com a massa do GO aumentando de 1,5 g para 4 g, o que é razoável para uma redução mais completa do GO e produção de PEDOT polimerizado. Quando a razão de massa do GO foi aumentada para 4,5 g, um SC reduzido do eletrodo composto de cerca de 183,3 F / g foi apresentado. Este resultado é bom que consiste na investigação condutiva apresentada na Tabela 1. Concluímos que a adição excessiva de GO resultou em agregações distintas e a redução da capacitância específica do eletrodo compósito ocorreu em conformidade. Após a ancoragem da partícula PEDOT nas folhas rGO na concentração adequada de GO, a introdução da pseudocapacitância PEDOT aumentaria a capacitância específica obviamente do que o eletrodo rGO puro. Nossos eletrodos compostos mostram maior capacitância específica (SC) do que eletrodos rGO puros relatados com arquitetura variada [64, 65], nosso eletrodo composto rGO / PEDOT relatado anteriormente preparado através de um método de polimerização de oxidante [66], eletrodos compostos rGO / PEDOT:PSS [ 67, 68], composto rGO / polipirrol (PPY) [69], e nosso eletrodo PEDOT / rGO obtido da mistura física (Tabela 3). Esses eletrodos também mostram desempenho SC comparável com um eletrodo de alta SC rGO / polianilina (PANi) [70], mas mostram maior condutividade, o que é um benefício para construir dispositivos de alta densidade de potência. Além disso, como materiais de eletrodo porosos, nosso eletrodo composto exibe 66,5F cm ⁻³ capacitância volumétrica (VC), que era comparável para o eletrodo de alto VC construído a partir de aerogel de grafeno / polímeros condutores [71].

A Figura 9a mostra os gráficos de Nyquist de rGO e diferentes eletrodos compostos rGO / PEDOT. Pode-se observar que os eletrodos compostos apresentam menor resistência interna (Rs) do que o rGO puro. O menor eletrodo Rs vem da reação hidrotérmica otimizada sob a razão de massa GO / EDOT otimizada, que pode desencadear a polimerização de EDOT de forma eficiente e redução de GO completamente, e os eletrodos obtidos exibem maior capacidade condutiva. Este resultado Rs também é consistente com o resultado da condutividade dos diferentes eletrodos mencionados acima. O desempenho da taxa de eletrodos compostos rGO / PEDOT e rGO preparados por meio de reação hidrotérmica também é avaliado, e esse desempenho é vital para a aplicação real em aplicações de armazenamento de energia. Como mostrado na Fig. 9b, os eletrodos rGO / PEDOT exibem boa capacidade de ciclagem e a capacitância específica mantida acima de 90% após mais de 9000 ciclos de vezes a uma densidade de corrente de varredura de 1,0 A / g. Como sabemos que o polímero condutor puro exibirá baixa estabilidade eletroquímica após longos ciclos, nossos eletrodos compostos rGO / PEDOT mostram boa estabilidade após longos ciclos. Atribuímos isso à excelente resistência mecânica do rGO, que oferece suporte estável para o polímero PEDOT durante o processo de carga / descarga. Além disso, este eletrodo composto também mostra excelente capacidade flexível, que é caracterizada e mostrada na Fig. 9c. Pode-se observar que mais de 95% da capacitância inicial do eletrodo se mantém após três mil dobras livres, o que mostra desempenho promissor para a construção de dispositivos de armazenamento de energia flexíveis.

a Desempenho de EIS de GO tratado hidrotérmico e rGO / PEDOT polimerizado hidrotérmico. b Desempenho de ciclagem de eletrodos rGO / PEDOT em uma densidade de corrente de varredura de 1,0 A / g, as inserções são imagens ópticas de rGO / PEDOT depositadas em ITO e tecido de algodão. c Confiabilidade da capacitância do eletrodo flexível rGO / PEDOT3

Conclusões

O nanocompósito rGO / PEDOT foi preparado com sucesso por um método de polimerização hidrotérmica. A camada condutora ultrafina de PEDOT foi construída em folhas rGO por meio de um método de polimerização livre de oxidante em solução aquosa de GO. Nesta reação hidrotérmica, os grupos funcionais nas folhas GO desencadeiam a polimerização de EDOT, e o GO é reduzido para rGO de acordo. Os resultados do desempenho condutivo e eletroquímico indicaram que o rGO ancorado no PEDOT exibiu alta condutividade e mostrou maior capacidade de armazenamento de energia do que o rGO preparado hidrotermal puro. Além disso, a excelente capacidade mecânica do rGO proporciona um suporte robusto para a realização de PEDOT simultaneamente durante o processo de armazenamento de energia. Esta nanoestrutura altamente condutora do polímero condutor PEDOT em rGO mostra uma aplicação promissora para eletrodos eletroquímicos de alto desempenho e dispositivos flexíveis.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os conjuntos de dados são apresentados no artigo principal ou nos arquivos de suporte adicionais.

Abreviações

CPs:

Polímeros condutores

CV:

Voltametria cíclica

EDLC:

Capacitância elétrica de dupla camada

EDOT:

3,4-ethylenedioxythiophene

EDOT:

Polymerization of 3,4-ethylenedioxythiophene

EIS:

Espectroscopia de impedância eletroquímica

GCD:

Galvanostatic charge–discharge

GO:

Óxido de grafeno

PANi:

Polianilina

PEDOT:

Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)

PPY:

Polipirrol

PSS:

Poly (styrenesulfonate)

rGO:

Óxido de grafeno reduzido

Rs:

Resistant

SC:

Specific capacitance

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