Arquiteturas de Rede Aberta Composto de Óxido de Grafeno Reduzido Tridimensional / Poli (3,4-Etilenodioxitiofeno) para Microssupercapacitores

Resumo

As nanoestruturas porosas tridimensionais (3D) têm mostrado uma promessa atraente para microssupercapacitores flexíveis devido aos seus méritos de locais ativos eletroquímicos mais expostos, maior coeficiente de difusão de íons e menor resistência de transferência de carga. Aqui, uma rede 3D altamente aberta de óxido de grafeno reduzido / poli (3,4-etilenodioxitiofeno) (rGO / PEDOT) foi construída através do tratamento assistido por laser e métodos de polimerização em fase de vapor in situ, que podem ser empregados com eletrólito em gel para preparar microssupercapacitores flexíveis, sem aditivos condutores, aglutinante de polímero, separador ou processamento complexo. Essas estruturas de rede aberta porosa dotam os microssupercapacitores obtidos com uma capacitância específica máxima (35,12 F cm ⁻³ a 80 mA cm ⁻³ ), a densidade de energia correspondente até 4,876 mWh cm ⁻³ , notável estabilidade de ciclo (com apenas cerca de 9,8% de perda após 4000 ciclos) e excelente eficiência coulômbica, que são comparáveis ​​com a maioria dos microssupercapacitores baseados em rGO relatados anteriormente. Além disso, os microssupercapacitores conectados em série / paralelo foram convenientemente fabricados, seguidos de serem integrados às células solares como sistemas eficientes de coleta e armazenamento de energia. Além disso, a tensão de trabalho ou densidade de energia da matriz de microssupercapacitores pode ser facilmente adaptada de acordo com os requisitos práticos e este trabalho fornece uma abordagem promissora para preparar um dispositivo de microenergia flexível de alto desempenho aplicado na eletrônica vestível de acordo.

Introdução

Esses dispositivos microeletrônicos inteligentes amplamente difundidos, como redes de sensores sem fio para monitoramento on-line, implantes biomédicos para cuidados com a saúde humana e chips de rastreamento em tempo real, levaram à crescente demanda de microeletrônicos leves, flexíveis, de baixo custo e altamente eficientes. escala dispositivos de armazenamento de energia [1,2,3]. Atualmente, micro-baterias de película fina e 3D disponíveis comercialmente, como as principais fontes de micro-energia, muitas vezes sofrem de desempenho de taxa baixa, falha abrupta e problemas de segurança. Em comparação, os microssupercapacitores interdigitais (MSCs) são os candidatos dominantes em dispositivos microeletrônicos autoalimentados por causa de sua densidade de potência competitiva, excelente segurança e capacidade de taxa superior, bem como longa vida útil operacional [4,5,6]. Como uma das configurações comuns, os MSCs interdigitais bidimensionais (2D) são amplamente empregados devido à sua espessura muito reduzida e fonte de alimentação relativamente alta em comparação com um supercapacitor comercial. Em geral, os MSCs interdigitais 2D precisam de microeletrodos mais espessos para atender à demanda de energia em uma determinada pegada, enquanto os microeletrodos espessos podem oferecer acessibilidade pobre ao eletrólito, transporte de carga insuficiente e aumento das distâncias de difusão de elétron / íon, resultando na degradação da capacidade e desempenho da taxa [1] Portanto, ainda é um desafio aumentar suas densidades de energia / potência sem comprometer outras características eletroquímicas simultaneamente em uma área de pegada limitada.

Notavelmente, a arquitetura de rede aberta 3D atraiu grande atenção, devido aos méritos de maior área de superfície específica, rápido transporte de íons e alteração do volume do buffer durante os testes de ciclo de GCD [7]. Até agora, a maioria das abordagens tem sido aplicada para sintetizar microeletrodos de rede aberta 3D, incluindo molde coloidal [8, 9], molde rígido [10, 11], método hidrotérmico [7, 12] e deposição em substratos 3D [4, 13, 14]. No entanto, essas técnicas de fabricação convencionais muitas vezes precisam de agentes tóxicos, condições sintéticas adversas ou técnica de preparação complexa, resultando em dificuldades para obter dispositivos econômicos, em grande escala e ecologicamente corretos para aplicação comercial. Para superar esses obstáculos, esforços tremendos têm sido dedicados à exploração de novas estratégias para fabricar MSCs de rede aberta 3D com eficiência. Impressionantemente, o tratamento assistido por laser prontamente escalonável e de baixo custo [15,16,17], que pode projetar o circuito de tratamento em locais precisos por controle de software para formar os padrões desejados sem fio externo adicional, atraiu ampla atenção para fabricar em - plano aberto MSCs de rede. Além disso, o método de polimerização em fase de vapor (VPP) envolve a polimerização do precursor na fase de vapor na superfície do oxidante [18], e é prontamente adaptado para preparar quaisquer padrões desejados em substratos variados de forma conveniente. Mais importante ainda, o método VPP é a superioridade óbvia em comparação com a deposição química de vapor (CVD) [19], a deposição eletroquímica [20, 21] e a polimerização química in situ [22], porque pode se livrar das restrições de equipamentos de vácuo especializados , dispositivo de deposição eletrolítica ou processamento de solvente.

Como o principal componente para MSCs interdigitais em plano, materiais de microeletrodos com áreas de superfície altas, boa hidrofilicidade e comportamento de intercalação de íons excelente devem ser explorados para melhorar seu desempenho de armazenamento de energia. Especialmente, rGO tem despertado atenção generalizada devido ao seu baixo custo e abundante matéria-prima (grafite), alta condutividade elétrica e alta área de superfície (2630 m ² g ⁻¹ ) [1]. No entanto, os MSCs baseados em rGO geralmente liberam uma capacitância específica relativamente baixa, e as cargas apenas se acumulam na interface entre o eletrodo e o eletrólito, resultando do mecanismo eletroquímico de armazenamento de energia de capacitância de camada dupla [23]. Além disso, polímeros condutores, como PEDOT e seus derivados, que dependem de reações redox faradaicas rápidas e reversíveis na superfície e / ou em massa [24], têm sido intensamente investigados como eletrodos de pseudo-capacitores devido à sua baixa toxicidade, alta condutividade, forma dopada estável e baixo custo. Consequentemente, o rGO feito por tratamento assistido por laser e PEDOT via método VPP prontamente escalonável são a combinação ideal para fabricar microeletrodos rGO / PEDOT de rede aberta.

Aqui, constituímos os microssupercapacitores flexíveis de estado sólido de alto desempenho baseados no composto interdigital rGO / PEDOT. Notavelmente, a rede interconectada rGO derivada de óxido de grafeno (GO) por tratamento assistido por laser é adotada como uma estrutura condutiva, atribuindo aos seus méritos o ajuste da morfologia da superfície, controlando o padrão desejado em locais precisos, aumentando a cinética de umedecimento eletrolítico ou difusão . Então, o PEDOT poroso aberto 3D preparado pelo método VPP pode fornecer a acessibilidade aos íons eletrolíticos, caminho de difusão iônica planar mais curto e mais sítios ativos eletroquímicos. Os MSCs interdigitais no plano empregaram estes microeletrodos rGO / PEDOT obtidos com PVA / H ₃ PO ₄ eletrólito de gel mostrou uma capacitância específica máxima de 35,12 F cm ⁻³ , a densidade de energia de 4,876 mWh cm ⁻³ a 40 mW cm ⁻³ sob a densidade de corrente de 80 mA cm ⁻³ e excelente estabilidade de ciclagem após 4000 ciclos. Além disso, os MSCs conectados em série / paralelo foram construídos para alimentar a luz de diodo emissor de luz vermelha (LED) por cerca de 100 s quando totalmente carregados. Portanto, este trabalho fornece uma maneira fácil de preparar MSCs interdigitais coplanares como fontes de microarmazenamento para dispositivos microeletrônicos portáteis altamente integrados de próxima geração, onde a alta capacidade por pegada limitada é crítica.

Métodos Experimentais

Materiais

Os monômeros de 3,4-etilenodioxitiofeno (EDOT) foram fornecidos pela Bayer AG. Ferro (III) p-toluenossulfonato (Fe (PTS) ₃ ) e pós de álcool polivinílico (PVA) foram adquiridos na Sigma-Aldrich. As nanofolhas GO foram adquiridas da Pioneer Nanomaterials Technology. Substrato de tereftalato de polietileno (PET), dodecil benzenossulfonato de sódio (NaDBS), ácido fosfórico (H ₃ PO ₄ ), acetona, etanol e outros reagentes foram fornecidos por Kelon Chemical Industry Co., Ltd. Todos os reagentes químicos foram usados ​​sem tratamento adicional. O programa controlava o laser infravermelho de 788 nm (potência máxima de saída =5 mW) dentro de uma unidade óptica LightScribe de consumo pulsando periodicamente um conjunto de lente objetiva, e o padrão desejado pode ser preparado rapidamente em locais precisos. Todos os experimentos foram realizados em condições ambientais.

Síntese de Eletrodos Interdigitais de Rede Aberta 3D rGO / PEDOT

A Figura 1a mostra uma ilustração esquemática da fabricação de eletrodos interdigitais rGO / PEDOT. Em um procedimento típico, um substrato de tereftalato de polietileno (PET) flexível foi cortado em um pedaço quadrado (2 cm x 2 cm) e foi lavado com etanol, acetona e água desionizada várias vezes, respectivamente. O GO foi sintetizado usando um método de Hummer modificado [25], e a dispersão homogênea de GO 2% em água deionizada foi preparada por dispersão ultrassônica [26]. Em seguida, o filme GO foi depositado no substrato PET e deixado secar por cerca de 24 h em condições ambientais. Posteriormente, o PET revestido com GO foi colocado na unidade óptica LightScribe de consumo para padronização de laser e a duração da exposição de 500 μs de cada voxel foi adotada usando o laser infravermelho de 788 nm (potência de saída de cerca de 100 mW). Depois de definir os padrões desejados em uma unidade comercial computadorizada, os eletrodos interdigitais de rGO condutores foram preparados rapidamente em locais precisos por pulsação periódica no filme GO isolante por cerca de 30 min, como nosso relatado anteriormente [21, 27].

a Ilustração esquemática da fabricação de eletrodos interdigitados rGO / PEDOT. b O mecanismo de polimerização do PEDOT

Antes de fabricar o PEDOT poroso por VPP, a amostra rGO preparada foi tratada com 0,5 mg mL ⁻¹ Solução aquosa de NaDBS como o surfactante por 20 min e então cozida a 80 ° C por cerca de 5 min. A razão molar de 1:1 de Fe (PTS) ₃ ao isopropanol foi preparado como solução oxidante por agitação magnética, que foi então seletivamente depositada nos eletrodos interdigitais rGO tratados com uma máscara pelo método de pulverização. Posteriormente, a amostra obtida foi posicionada no centro de uma pequena câmara contendo 100 μL de monômeros de EDOT, e todo o dispositivo foi aquecido em dessecador a vácuo. O mecanismo de polimerização de PEDOT por VPP foi mostrado na Fig. 1b. Depois de aplicar as amostras acima expostas no vapor de EDOT a 30 ° C, 50 ° C, 80 ° C e 100 ° C por 30 min, esses microeletrodos de rede aberta em 3D rGO / PEDOT foram fabricados, anotando-se como rGO / PEDOT-30 , rGO / PEDOT-50, rGO / PEDOT-80 e rGO / PEDOT-100, respectivamente. Além disso, os eletrodos interdigitais rGO prístinos também foram preparados como uma comparação.

Montagem de MSCs interdigitais flexíveis baseados em rGO / PEDOT de rede altamente aberta

Normalmente, o pó de PVA (1 g) foi dissolvido em água desionizada (10 mL) a 90 ° C por 2 h sob agitação vigorosa, então o H ₃ PO ₄ (2 mL) foi adicionado gradualmente sob agitação lenta à temperatura ambiente até formar uma solução gelatinosa transparente, e o PVA / H ₃ PO ₄ eletrólito em gel foi preparado com sucesso. Além disso, um revestimento de metal foi primeiramente coberto na superfície dos eletrodos por pulverização catódica como coletor de corrente, e o PVA / H ₃ PO ₄ eletrólito em gel foi coberto gota a gota nos eletrodos interdigitais rGO / PEDOT. Posteriormente, o dispositivo foi embebido em temperatura ambiente por 10 horas para garantir a completa umidade e evaporação de todo o excesso de água. Finalmente, os MSCs de estado sólido foram montados com sucesso.

Caracterização e medição

As morfologias, caracterizações microestruturais e de componentes foram realizadas por microscópio eletrônico de varredura (MEV), espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS). Além disso, as propriedades eletroquímicas (voltametria cíclica (CV), carga / descarga galvanostática (GCD) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) de MSCs planares flexíveis foram examinadas por célula de dois eletrodos em uma estação de trabalho eletroquímica CHI660D (Chen Hua, Shanghai) sob temperatura ambiente.

As capacitâncias volumétricas específicas C _v (F cm ⁻³ ), densidades de energia W (Wh cm ⁻³ ) e densidades de potência P (W cm ⁻³ ) foram calculados a partir das curvas GCD em diferentes densidades de corrente usando as seguintes Eqs. (1) - (3):[13, 17, 24].
$$ {C} _ {\ mathrm {v}} =\ frac {I \ times \ Delta t} {V \ times \ Delta E} $$ (1) $$ W =\ frac {C _ {\ mathrm {v }} \ times {\ Delta E} ^ 2} {2 \ times 3600} $$ (2) $$ P =\ frac {W} {\ Delta t} $$ (3)
onde eu é a corrente de descarga (A); Δt é o (s) tempo (s) de alta; V é o volume da pilha (cm ³ ) que inclui o volume combinado do material ativo, coletor de corrente e a lacuna entre os eletrodos; e ΔE é a janela potencial (V).

Resultados e discussão

Morfologia e estrutura dos materiais dos eletrodos GO, rGO e rGO / PEDOT

As morfologias do GO, rGO e rGO / PEDOT foram investigadas por SEM mostrado na Fig. 2. Em primeiro lugar, o rGO rGO semelhante a rugas 3D (Fig. 2b) derivado de folhas GO (Fig. 2a) pelo processo de tratamento a laser pode fornecer locais portadores de carga abundantes e permitir que os íons acessem ou penetrem prontamente em suas superfícies internas entre o eletrodo e o eletrólito. É importante ressaltar que essas interações sinérgicas de redes rGO e PEDOT são benéficas para encurtar a distância de difusão e facilitar o transporte de íons para atingir excelentes propriedades de armazenamento de energia [28]. Além disso, a vista superior e as imagens de seção transversal das quatro amostras rGO / PEDOT polimerizadas a 30 ° C, 50 ° C, 80 ° C ou 100 ° C por VPP revelam várias configurações porosas (Fig. 2c-h). Além disso, em comparação com outras três amostras de rGO / PEDOT, o rGO / PEDOT-50 (Fig. 2d) mostra a estrutura de rede porosa homogênea, que é benéfica para melhorar a área de superfície específica e caminho condutor abundante. Isto pode ser devido à evaporação apropriadamente lenta do produto secundário ácido e baixa taxa de crescimento do filme a 50 ° C, que são benéficos para dotar uma rede porosa homogênea durante o processo de polimerização. Além disso, as temperaturas de polimerização mais altas (como 80 ° C, 100 ° C) podem tender a uma nucleação heterogênea maior para formar a morfologia plana densa por causa da maior concentração de vapor de EDOT e taxas de reação mais rápidas, enquanto as temperaturas de polimerização a 30 ° C são polirreação muito baixa a inadequada [29, 30].

As imagens SEM típicas de vista superior para a GO, b rGO, c rGO / PEDOT-30, d rGO / PEDOT-50, e rGO / PEDOT-80 e f rGO / PEDOT-100. As imagens de seção transversal g e h de rGO / PEDOT-50

As medições FTIR e Raman de GO, rGO e PEDOT também foram realizadas para caracterizar as mudanças de composições químicas na Fig. 3. Os picos característicos típicos de GO (Fig. 3a) exibem C =O (1724 cm ^{- 1} ), C =C (1618 cm ⁻¹ ), C – OH (1410 cm ⁻¹ ), C – O (1046 cm ⁻¹ ), e C – O – C (848 cm ⁻¹ ) Após o tratamento assistido por laser, todos os picos de absorção dos grupos funcionais contendo oxigênio foram quase removidos, indicando o preparo bem-sucedido de rGO (Fig. 3a). Além disso, esses picos característicos de PEDOT, como o pico de alongamento C =C assimétrico (1630, 1513 cm ⁻¹ ) [31], o modo de alongamento C – C (1350 cm ⁻¹ ), Pico de deformação C – O – C (1190, 1085 cm ⁻¹ ), pico de deformação simétrico C – S – C (978, 920, 830 e 688 cm ⁻¹ ) [32] pode ser observado na Fig. 3b, confirmando ainda mais a existência do PEDOT. Portanto, esses espectros de FTIR confirmam a preparação bem-sucedida do composto rGO / PEDOT por meio dos métodos de redução a laser e VPP.

Espectros FTIR de a GO, rGO e b PEDOT. c Espectros Raman de GO, rGO e PEDOT

A Figura 3c mostra os espectros Raman de GO, rGO e PEDOT. O D banda é desencadeada por defeitos nos materiais da caixa hexagonal, e o G banda surgiu do carbono grafítico (modo E2g). Além disso, a relação de intensidade do D e G bandas ( eu _D / eu _G ) é amplamente utilizado para avaliar os domínios desordenados e ordenados do grafeno [27]. Obviamente, o D (1359 cm ⁻¹ ) e G (1595 cm ⁻¹ ) bandas de GO e rGO estão presentes na Fig. 3c, e o I _D / eu _G de GO e rGO são 1,02 e 0,92, respectivamente. O eu _D / eu _G de rGO é menor em comparação com GO, significando menos defeitos de rGO após o tratamento induzido por laser. Mais importante, o pico 2D proeminente (2687 cm ⁻¹ ) aparece no espectro Raman de rGO, verificando ainda a presença de algumas camadas de grafeno [33]. Além disso, 1548 e 1487 cm ⁻¹ picos ( C _α = C _β ), 1433 cm ⁻¹ pico ( C _α = C _β (−O)), 1365 cm ⁻¹ pico ( C _α - C _β ), 1258 cm ⁻¹ pico ( C _α - C _α ), 1130 cm ⁻¹ pico (C – O – C), 988 cm ⁻¹ e 854 cm ⁻¹ picos (C – S – C) e 442 cm ⁻¹ pico (S – O) são claramente observados nos espectros Raman do PEDOT, que estão de acordo com a literatura relatada [34]. As análises acima demonstram evidentemente a preparação bem-sucedida de rGO e PEDOT.

A análise do espectro XPS de rGO / PEDOT, GO e rGO foi realizada para monitorar as funcionalidades do oxigênio (fig. 4). O espectro C1s de GO (Fig. 4a) e rGO (Fig. 4b) são resolvidos em vários picos de C – C (284,8 eV), C =O (287,3 eV), C – O (286,2 eV) e O– C =O (288,5 eV). Em contraste com GO, a remoção significativa de grupos funcionais contendo oxigênio (C =O e O – C =O) e um aumento geral no C – C sp ² pico de carbono de rGO aponta para um processo de desoxigenação eficiente, bem como restauração π -estrutura conjugada, resultando em uma maior condutividade elétrica após o tratamento a laser, esses resultados também concordam com os relatórios anteriores [35, 36]. A presença de ligações C – S (285,3 eV) na Fig. 4c confirma ainda mais a síntese bem-sucedida de PEDOT no rGO. Além disso, a Fig. 4d mostra o S2 p pico de rGO / PEDOT rachado em S2 p 3/2 (162,6 eV) e S2 p 1/2 (163,8 eV) dupletos com uma separação correspondente de 1,2 eV, originados do átomo S ligado à estrutura do anel tiofeno nas cadeias de PEDOT [19, 32, 37].

O espectro XPS da pesquisa para C1 s picos de a GO, b rGO e c rGO / PEDOT e d S2 p pico de rGO / PEDOT

Comportamento eletroquímico dos MSCs flexíveis com rede aberta rGO / PEDOT

Os eletrodos porosos rGO / PEDOT preparados podem ser convenientemente montados nos MSCs planos flexíveis com PVA / H ₃ PO ₄ eletrólito em gel, sem quaisquer aditivos condutores ou aglutinantes, bem como a obtenção de dispositivos de armazenamento de energia simplificados e leves. A fim de avaliar o desempenho de MSCs baseados em rGO / PEDOT, suas propriedades eletroquímicas (Fig. 5) foram posteriormente investigadas por meio de medições CV, GCD e EIS usando uma configuração de dois eletrodos. A Figura 5a exibe os gráficos representativos de CV de rGO / PEDOT-30, rGO / PEDOT-50, rGO / PEDOT-80, rGO / PEDOT-100 e MSCs baseados em rGO prístinas a 20 mV s ⁻¹ . Dentre eles, a curva CV de MSCs baseados em rGO / PEDOT-50 apresenta a maior área quase retangular, indicando seu comportamento capacitivo ideal. Além disso, a comparação das curvas GCD em 80 mA cm ⁻³ foi apresentado na Fig. 5b, que mostra formas quase triangulares e o potencial é quase linear ao tempo de carga / descarga [21]. Impressionantemente, os MSCs baseados em rGO / PEDOT-50 suportam o tempo de descarga mais longo do que aqueles para outras amostras. Além disso, o gráfico de Nyquist de MSCs baseados em rGO / PEDOT-50 (Fig. 5c) mostra um perfil quase vertical na região de baixa frequência e a impedância interna menor em comparação com outras amostras. Além disso, as capacitâncias específicas calculadas de acordo com as Eqs. (1) - (3) versus densidade de corrente de descarga são mostrados na Fig. 5d. A capacitância específica correspondente de MSCs baseados em rGO / PEDOT-50 foi revelada cerca de 35,12 F cm ⁻³ a 80 mA cm ⁻³ , a capacitância específica exibe uma queda gradual com o aumento da densidade de corrente, mas ainda pode fornecer uma capacidade relativamente alta de 31,04 F cm ⁻³ a 400 mA cm ⁻³ em comparação com as outras quatro amostras, comprovando ainda mais sua excelente capacidade de taxa.

As propriedades eletroquímicas comparadas de vários compósitos rGO / PEDOT com diferentes MSCs baseados na temperatura de reação: a Curvas CV a 20 mV s ⁻¹ e b Curvas GCD a 80 mA cm ⁻³ . c Os gráficos de Nyquist da análise EIS obtidos de 0,01 Hz a 100 kHz. d Capacitância específica versus diferentes densidades de corrente

Para explorar ainda mais a viabilidade de MSCs baseados em rGO / PEDOT-50, seus desempenhos eletroquímicos foram avaliados na Fig. 6. As curvas CV retêm formas quase retangulares com as taxas de varredura crescentes de 10 a 100 mV s ⁻¹ (Fig. 6a), que decorre praticamente das reações redox de superfície reversíveis de PEDOT e eletroadsorção de superfície de rGO, resultando na taxa de carga / descarga rápida e o comportamento capacitivo ideal [38]. Além disso, a Fig. 6b mostra curvas GCD em diferentes densidades de corrente sob a janela de potencial de 0 ~ 1 V, e as inclinações não lineares e a forma de triângulo, particularmente em densidades de corrente mais baixas, corroboram a contribuição da pseudo-capacitância do PEDOT, que concorda bem com os recentes relatórios [39, 40]. Além disso, os testes de flexibilidade das MSCs planares baseados em rGO / PEDOT-50 foram realizados em ângulos diferentes (Fig. 6c), e as curvas CV a 10 mV s ⁻¹ estavam quase sobrepostos sob a dobra com ângulos de dobra crescentes de 0 ° até 180 °. Posteriormente, os MSCs foram dobrados a 180 ° por 1000 ciclos por um motor linear, e a capacitância específica calculada a partir das curvas de carga / descarga de retenção de 96,8% foi alcançada após 1000 ciclos de flexão (Fig. 6d). Portanto, nossos dispositivos MSC possuem excelente flexibilidade mecânica, que é principalmente atribuída ao substrato PET flexível e à forte adesão da estrutura 3D altamente porosa com o substrato [41]. Esses resultados também confirmam o excelente efeito sinérgico entre o rGO de redução a laser e o PEDOT polimerizado por VPP. Para um microdispositivo, a densidade de energia e a densidade de potência são os dois fatores críticos para avaliar sua praticidade. Portanto, os gráficos de Ragone de MSCs preparados e a comparação com alguns outros MSCs relatados anteriormente são representados graficamente na Fig. 6e. Os MSCs planos flexíveis baseados em rGO / PEDOT-50 fornecem uma densidade de energia máxima de 4,876 mWh cm ⁻³ a uma densidade de potência de 40 mW cm ⁻³ , e com a evidência de que ainda permanece 4,422 mWh cm ⁻³ a 200 mW cm ⁻³ . Estes resultados obtidos são comparáveis ​​ou superiores aos de outros MSCs relatados recentemente com eletrólito de gel aquoso à base de PVA, como MSCs de filme de grafeno Janus [42], MSCs de rGO [28], MSCs de MnOx / Au [43], bateria de filme fino de Li [44 ], MWNT / fibra de carbono MSC [45], rGO / SWNT @ CMC MSC [46], carbono / MnO ₂ MSC [47], ou grafeno processado a laser MSC [48]. Os testes de ciclabilidade e eficiência coulômbica de MSCs baseados em rGO / PEDOT-50 em 4000 ciclos de carga / descarga a uma densidade de corrente de 80 mA cm ⁻³ são mostrados na Fig. 6f. Pode-se observar que as capacitâncias volumétricas específicas se mantêm estáveis ​​com a capacitância de retenção de 90,2% após 4000 ciclos, e as eficiências coulômbicas mantêm 97 ~ 99% durante todo o ciclo, demonstrando a excelente durabilidade e reversibilidade do rGO / PEDOT-50-based MSCs.

Os desempenhos eletroquímicos de MSCs de estado sólido totalmente flexíveis baseados em rGO / PEDOT-50: a Curvas CV em várias taxas de varredura; b Curvas GCD em diferentes densidades de corrente; c Curvas CV obtidas sob diferentes ângulos de curvatura a 10 mV s ⁻¹ ; d Retenção de capacitância em função dos ciclos de flexão a uma densidade de corrente de 80 mA cm ⁻³ ; e Gráficos de Ragone do dispositivo e alguns outros MSCs relatados, e f testes de ciclabilidade e eficiência coulômbica em 4000 ciclos de carga / descarga a uma densidade de corrente de 80 mA cm ⁻³

Em geral, a tensão de trabalho, corrente elétrica ou capacitâncias de um único dispositivo MSC são muito baixas para atender às demandas de dispositivos eletrônicos miniaturizados [49]. Portanto, o arranjo MSC baseado em rGO / PEDOT-50 conectado em série / paralelo foi fabricado (Fig. 7) por meio do tratamento a laser de baixo custo e método VPP prontamente escalonável. A Figura 7a mostra o caminho móvel dos íons de eletrólito ao longo da superfície plana da matriz MSC integrada com dispositivos eletrônicos miniaturizados. A Figura 7b-d mostra um sistema autoalimentado integrado a uma matriz MSC flexível com células solares, o que é comprovado com sucesso acendendo um LED sob o estado de deformação da matriz MSC. As Figuras 7e e f mostram as curvas CV a 20 mV s ⁻¹ e curvas GCD em 40 mA cm ⁻³ da matriz MSC, respectivamente. E as imagens ópticas da matriz MSC montada foram inseridas na Fig. 7e. Especialmente, a janela de tensão da matriz MSC conectada em 2P × 3S foi expandida até 3 V, três vezes maior do que a de um único MSC (Fig. 7e), enquanto o tempo de carga / descarga é aproximadamente o dobro de um único dispositivo (Fig. . 7f), que indica que o arranjo MSC obedece aproximadamente às regras básicas de conexões em série / paralelas [17], e as densidades de energia do arranjo MSC conectado em 2P × 3S foram aumentadas em seis vezes em comparação com um único MSC. Esses desempenhos eletroquímicos superiores da matriz MSC baseada em rGO / PEDOT devem muito aos seguintes fatores possíveis:(1) as estruturas interdigitadas permitem aos íons eletrolíticos um coeficiente de difusão de íons mais alto, bem como encurtar o caminho de difusão iônica planar, resultando em uma melhoria adicional de sua taxa capacidade [41]. (2) A temperatura de reação foi otimizada e o crescimento direto PEDOT em rGO a 50 ° C por VPP pode fornecer uma forte adesão entre seu contato interfacial, proporcionando assim uma boa via de elétrons e aumentando a durabilidade eletroquímica. (3) O efeito sinérgico da estrutura altamente porosa 3D PEDOT e rGO semelhante a seda (mostrado na Fig. 2) leva a uma grande área de superfície, locais ativos de reação eletroquímica maciça, a acessibilidade aos íons eletrolíticos e reduz a transferência de carga resistência [50, 51]. Beneficiando-se das vantagens acima, os MSCs baseados em rGO / PEDOT exibem excelentes características de armazenamento de energia, tornando-os dispositivos de microenergia promissores em aplicações eletrônicas miniaturizadas.

Fabricação de matriz MSC baseada em rGO / PEDOT-50 como dispositivos de armazenamento de microenergia. a Esquema de mostrar o princípio de funcionamento da matriz MSC integrada com dispositivos eletrônicos miniaturizados. b ~ d Integração de uma matriz MSC flexível com células solares para iluminar um LED. e As curvas de CV em 20 mV s ⁻¹ e f Curvas GCD em 40 mA cm ⁻³ de matriz MSC conectada em série (2 células em série, 2S), em paralelo (2 células em paralelo, 2P) e em uma combinação de série e paralelo (2 paralelas × 3 séries, 2P × 3S). As imagens ópticas da matriz MSC inseridas em e

Conclusões

Em resumo, fornecemos uma estratégia viável para preparar convenientemente o arranjo MSC com rede aberta 3D de eletrodos interdigitais rGO / PEDOT usando os métodos de tratamento a laser e VPP. Curiosamente, o potencial de trabalho necessário ou a corrente elétrica na maioria das aplicações práticas podem ser facilmente ajustados conectando-se em série / paralelo sem gerenciamento de equilíbrio de tensão adicional. Os MSCs interdigitais planares baseados em rGO / PEDOT-50 obtidos fornecem a alta capacitância específica de 35,12 F cm ⁻³ (a densidade de energia correspondente de 4,876 mWh cm ⁻³ ) a 80 mA cm ⁻³ , estabilidade de ciclo estável (90,2% para 4000 ciclos), capacidade de taxa superior, excelente eficiência coulômbica (manter 97 ~ 99% durante todo o ciclo) e boa flexibilidade sob diferentes ângulos de dobra. Considerando a fabricação conveniente, alto desempenho, excelente compatibilidade de tamanho e flexibilidade, o array MSC baseado em rGO / PEDOT é particularmente um candidato promissor para as fontes de microenergia flexível de alto desempenho de próxima geração integradas com dispositivos microeletrônicos.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados usados ​​e / ou analisados ​​durante o estudo atual estão disponíveis junto ao autor correspondente, mediante solicitação razoável.

Abreviações

2D:

Bidimensional

3D:

Tridimensional

CV:

Voltametria cíclica

CVD:

Deposição de vapor químico

EIS:

Espectroscopia de impedância eletroquímica

Fe (PTS) ₃ :

ferro (III) p-toluenossulfonato

FTIR:

Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier

GCD:

Carga / descarga galvanostática

LED:

Diodo emissor de luz

MSCs:

Microssupercapacitores

PET:

Tereftalato de polietileno

PVA:

Álcool polivinílico

rGO / PEDOT:

Óxido de grafeno reduzido / poli (3,4-etilenodioxitiofeno)

SEM:

Microscópio eletrônico de varredura

VPP:

Polimerização em fase de vapor

XPS:

espectroscopia de fotoelétrons de raios-X

Melhorando a propagação da corrente por meio da modulação local do tipo de dopagem na camada n-AlGaN para diodos emissores de luz ultravioleta profunda com base em AlGaN Síntese de filmes flexíveis independentes rGO / MWCNT para aplicação de supercapacitor simétrico