Modificación de óxido de grafeno reducido mediante polímero conductor mediante un método de polimerización hidrotermal y su aplicación como electrodos de almacenamiento de energía

Resumen

Divulgamos la deposición química in situ de polímero conductor poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) en nanohojas de óxido de grafeno reducido (rGO) a través de un método de polimerización hidrotermal simple. Los grupos funcionales en el óxido de grafeno (GO) se emplearon directamente como oxidante para desencadenar la polimerización de 3,4-etilendioxitiofeno (EDOT), y las nanohojas de GO se redujeron en consecuencia a rGO en un entorno acuoso. El buen anclaje de PEDOT ultrafino en rGO a través de este método libre de oxidantes se confirmó mediante análisis de espectro UV-Vis, espectro FT-IR, SEM y TEM. La mejora obvia de la conductividad se observó después de la cobertura de PEDOT en rGO, y este compuesto mostró una alta conductividad de aproximadamente 88,5 S / cm. Los resultados del rendimiento electroquímico revelaron que el electrodo compuesto rGO / PEDOT exhibe una capacitancia específica alta de aproximadamente 202,7 F / g. El buen efecto sinérgico entre PEDOT y rGO también asegura una reversibilidad altamente estable del electrodo compuesto durante el proceso de carga / descarga, y más del 90% de la capacitancia inicial se retiene después de 9000 ciclos. Además, el electrodo basado en rGO / PEDOT depositado sobre la tela de algodón muestra una excelente capacidad de flexibilidad con la evidencia de que el 98% de la capacitancia inicial del electrodo se mantuvo después de tres miles de flexión libre, lo que muestra un rendimiento de almacenamiento de energía prometedor para dispositivos flexibles.

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Aspectos destacados de la investigación

En este artículo, de una manera fácil y sencilla, los grupos funcionales en el óxido de grafeno (GO) se emplearon directamente como oxidantes para desencadenar la polimerización de 3,4-etilendioxitiofeno (EDOT) y las nanohojas de GO se redujeron a rGO en consecuencia en un ambiente acuoso. La alta capacitancia específica y la alta conductividad del electrodo compuesto se lograron mediante este sencillo método. El electrodo compuesto también mostró una buena estabilidad cíclica y flexibilidad, lo que mostró un futuro prometedor para construir dispositivos flexibles de alto rendimiento.

Introducción

En los últimos años, los polímeros conductores (CP) que son altamente conductores y electroquímicamente activos se han centrado en algunas aplicaciones prometedoras como células solares [1, 2, 3], sensores [4, 5, 6, 7, 8], almacenamiento de energía dispositivos [9,10,11] y bioelectrónica [12,13,14]. El dispositivo de almacenamiento de energía, como los supercondensadores, ha empleado el polímero conductor como electrodos de alta eficiencia, que pueden producir una alta pseudocapacitancia debido a su proceso reversible de oxidación / reducción en electrolitos [15,16,17,18]. Con el fin de obtener un electrodo electroquímico a base de polímero conductor con alta estabilidad, se ha investigado ampliamente la incorporación de polímero conductor con materiales de carbono y materiales de óxidos metálicos con nanoestructura [19,20,21,22]. Debido al rendimiento altamente estable de estos materiales, se ha logrado una mejora significativa de la estabilidad electroquímica del polímero conductor, lo que también da como resultado la construcción de dispositivos con un excelente rendimiento de almacenamiento de energía [23, 24]. En estos aspectos, incorporar polímero conductor con nanomateriales de carbono es más adecuado para obtener electrodos compuestos con alta densidad de energía y densidad de potencia simultáneamente. Además, en comparación con los materiales inorgánicos, la excelente flexibilidad del polímero conductor también beneficia a la construcción de electrodos flexibles, incluso los dispositivos flexibles para sistemas electrónicos portátiles [25,26,27,28,29].

Los electrodos de polímero conductor / nanomaterial de carbono exhiben una alta densidad de energía debido a la combinación de pseudocapacitancia y capacitancia eléctrica de doble capa (EDLC) [15, 30, 31, 32]. Por lo tanto, el efecto sinérgico optimizado entre dos componentes es vital para obtener un electrodo compuesto con alta capacitancia específica y alta estabilidad, lo que significa que el rendimiento del electrodo depende en gran medida del método de preparación. Para obtener estructuras heteroestructuradas, se emplearon diferentes métodos, como el mezclado físico [33,34,35], la polimerización electroquímica [36] y la polimerización química in situ con oxidante [37,38,39,40], para preparar el polímero conductor y su compuesto como electrodos supercondensadores. En cuanto al método de mezcla física, la buena distribución y la aleación de dos componentes deben considerarse cuidadosamente para evitar la separación de fases durante el ciclo prolongado. Además de la polimerización química in situ con oxidante en solución o ambiente gaseoso, debido a la polimerización de monómero sobre nanomateriales de carbono con un proceso termodinámico, se ha confirmado un excelente efecto sinérgico en estos materiales compuestos [41, 42]. Sin embargo, ambos métodos de polimerización in situ tienen dificultades para eliminar el exceso de oxidante, lo que tendrá una gran influencia en la morfología y el rendimiento relacionado de los composites preparados [43, 44]. Por lo tanto, tiene grandes demandas para preparar nanomateriales de polímero conductor / carbono con un método libre de oxidantes, que producirá compuestos de una manera simple y fácil, acoplando las ventajas de los nanomateriales de carbono y el polímero conductor.

En este artículo, basado en la procesabilidad en solución de GO y grupos funcionales en láminas de GO, el polímero conductor poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) se anclaba en láminas de GO mediante un método de polimerización hidrotermal simple. Los grupos funcionales en las hojas de GO juegan un papel como oxidante para desencadenar la polimerización del monómero de 3,4-etilendioxitiofeno (EDOT), y se obtuvo un nanocompuesto de óxido de grafeno reducido (rGO) / PEDOT. Debido a este método libre de oxidantes, se logró la modificación ultrafina y ultramolecular del polímero conductor en nanohojas de rGO. El nanocompuesto rGO / PEDOT resultante se ha estudiado como materiales de electrodos electroquímicos prometedores para aplicaciones de supercondensadores.

Materiales y métodos

Materiales

Las escamas de grafito utilizadas para la preparación de GO se adquirieron de Sigma-Aldrich. GO se sintetizó a partir de escamas de grafito natural preparadas mediante el método de Hummer [45]. Para la polimerización química in situ, el monómero EDOT se adquirió de Bayer Company. Se compraron otros reactivos químicos con grado analítico de Chengdu Kelong Chemical Reagent Company y se usaron tal como se recibieron.

Preparación del nanocompuesto rGO / PEDOT

Se introdujeron cincuenta microlitros de monómero de EDOT en 50 ml de agua DI con agitación magnética durante 2 h para preparar la solución de EDOT. La dispersión estable de GO se preparó introduciendo 1,5 g de láminas de GO en 30 ml de agua DI y se sometió a agitación magnética durante 1 h seguido de centrifugación a 2500 rpm. Posteriormente, se colocaron gota a gota 10 ml de solución de EDOT en la solución de GO con agitación magnética a 60 ° C durante 6 h, y luego, la temperatura de reacción se aumentó a 90 ° C al menos 2 h para la polimerización adicional de EDOT y la reducción de GO ( rGO / PEDOT1). El diagrama esquemático de la polimerización por EDOT y la reducción de GO se presenta en la Fig. 1. Con el fin de comparar la influencia del contenido de GO en el rendimiento del compuesto obtenido, se agregaron diferentes masas de GO en agua DI para la reacción hidrotermal. Entonces, como se mencionó en el proceso de preparación anterior, todos los parámetros experimentales son los mismos, excepto la masa GO agregada al agua DI. En consecuencia, unas hojas de GO de 3 g, 4 gy 4,5 g produjeron los compuestos rGO / PEDOT2, rGO / PEDOT3 y rGO / PEDOT4, respectivamente. El rGO puro se obtuvo mediante el método hidrotermal mencionado anteriormente.

El diagrama esquemático de la polimerización hidrotermal de rGO / PEDOT

Prueba de caracterización y rendimiento electroquímico

Se investigó la morfología de la superficie de GO y rGO / PEDOT usando un microscopio electrónico de barrido (SEM, Hitachi, Modelo S-2400). El espectro UV-Vis de la película se caracterizó mediante un espectrómetro UV-1700 (SHIMADZU). El espectro FT-IR se obtuvo con un instrumento de análisis ALPHA (Alemania). Para la prueba de conductividad, la rGO y el polvo compuesto obtenidos se comprimieron en forma de cilindro con un tamaño de 5 mm (radio) x 2 mm (altura) y se probaron a temperatura ambiente. La conductividad eléctrica fue probada por un sistema de prueba de cuatro sondas SX193 (Baishen, Suzhou, China). Los espectros XPS se llevaron a cabo utilizando un espectrómetro de fotoelectrones Escalab 250Xi (Thermo Fisher Scientific, EE. UU.). Los espectros Raman se registraron en un modelo Alpha300 con un láser de 532 nm (WITec, Alemania). El rendimiento electroquímico se investigó utilizando una estación de trabajo electroquímica CHI600 (Chenhua, Shanghai, China). Se realizaron voltamperometría cíclica (CV), carga-descarga galvanostática (GCD) y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) con 1 mol / L H ₂ SO ₄ electrolito acuoso usando una hoja de platino como contraelectrodo y Ag / AgCl como electrodo de referencia. Todas las mediciones se realizaron a temperatura ambiente.

Resultados y discusión

El espectro UV-Vis de GO, rGO tratado hidrotermalmente y rGO / PEDOT hidrotermal-polimerizado se muestra en la Fig. 2. El GO puro muestra dos bandas de absorción principales, y el pico máximo se presenta en 225 nm, atribuyéndose a la π → π * transición de enlace C =C. Un pico de absorción débil a 297 nm resultante de la n → π * También se observa la transición del enlace C =O [46]. Después del tratamiento hidrotermal, el rGO obtenido muestra diferentes picos característicos con la evidencia de que el pico de 225 nm se desplaza a 241 nm y el pico de 297 nm desaparece. Este resultado indica que el tratamiento hidrotermal elimina parcialmente los grupos funcionales en las hojas GO. El color de la solución GO también cambia de amarillo a negro intenso después de este tratamiento hidrotermal (como se muestra en la Fig. 1). En la Fig. 2, podemos ver que el compuesto rGO / PEDOT muestra un pico de absorción a 270 nm, que proviene de π → π * transición de rGO [46]. Además, en el espectro aparece un pico de absorción amplio desde 450 nm hasta la longitud de onda del infrarrojo cercano debido a la absorción típica de polarones y bipolarones en PEDOT polimerizado [24]. Después de la adición del monómero EDOT en la solución GO, el tratamiento hidrotermal desencadena la polimerización de EDOT y el GO se reduce a rGO en consecuencia, y este método de polimerización libre de oxidantes produce el compuesto rGO / PEDOT en un entorno acuoso con éxito. También se puede ver en la Fig.2 que con el aumento de la masa de GO durante la polimerización hidrotermal, el rGO / PEDOT obtenido muestra un cambio más obvio del pico de absorción, que se eleva desde π → π * transición a una longitud de onda más larga que el rGO puro. Este resultado revela que se emplearon más grupos funcionales en GO para desencadenar la polimerización de EDOT en condición libre de oxidantes.

Espectro UV-Vis de GO, rGO tratado hidrotermalmente y rGO / PEDOT hidrotermal-polimerizado

Se emplearon los análisis FT-IR y Raman para confirmar aún más qué grupos funcionales desencadenan la polimerización del monómero EDOT durante el tratamiento hidrotermal. La Figura 3a muestra el espectro FT-IR de GO, rGO tratado hidrotermalmente y diferentes compuestos rGO / PEDOT. La absorción alcanza su punto máximo a 3395 cm ⁻¹ y 1726 cm ⁻¹ provienen de la vibración de estiramiento del enlace C – OH y el enlace C =O ubicado en el borde GO. Los 1620 cm ⁻¹ el pico representa la absorción de vibraciones del enlace C =C y 1420 cm ⁻¹ pico que se eleva desde el enlace –OH deformado en el plano GO [47]. Los 1188 cm ⁻¹ el pico resulta de la vibración de los enlaces C – O [48]. Tras el tratamiento hidrotermal, los picos situados a 3395 cm ⁻¹ y 1419 cm ⁻¹ obviamente se debilitaron, lo que indica la eliminación parcial del grupo –OH. La densidad máxima ubicada a 1726 cm ⁻¹ y 887 cm ⁻¹ resultó de la absorción de –OH y C – O – C, que también se debilita claramente e incluso desaparece, lo que indica que los grupos funcionales anteriores se redujeron y se consideran posibles sitios activos para la polimerización de EDOT [49, 50]. La reducción de GO también se confirma con la evidencia de que la densidad máxima de 1571 cm ⁻¹ mejora obviamente, como resultado de la absorción del enlace C =C, que indica la recuperación de la estructura conjugada simple de rGO [51].

un Espectros FT-IR de GO, rGO tratado hidrotermalmente y rGO / PEDOT hidrotermal-polimerizado. b Espectros Raman de GO, rGO tratado hidrotermalmente y rGO / PEDOT hidrotermal-polimerizado

Después del tratamiento hidrotermal de la solución EDOT / GO, el espectro FT-IR del composite muestra picos característicos del polímero PEDOT. Se puede ver que el espectro de compuestos muestra picos de serie a 687 cm ⁻¹ , 839 cm ⁻¹ , 930 cm ⁻¹ y 980 cm ⁻¹ , que surgen de la vibración del enlace C-S en PEDOT [52, 53]. Además, los picos ubicados a 1026 cm ⁻¹ , 1137 cm ⁻¹ y 1195 cm ^{- 1} También se observaron debido a la absorción por estiramiento del enlace C – O – C en alquilendioxi [54, 55]. Por lo tanto, comparando el espectro FT-IR de GO con rGO / PEDOT, la clara desaparición de –OH (ubicada a 1420 cm ⁻¹ ) y C – O – C (ubicado a 887 cm ⁻¹ ) se observó absorción, lo que indica que estos dos grupos funcionales desencadenan la polimerización de EDOT principalmente durante el tratamiento hidrotermal [56].

El espectro Raman de GO, rGO tratado hidrotermalmente y rGO / PEDOT hidrotermal-polimerizado se muestra en la Fig. 3b. En comparación con GO y rGO puros, el rGO / PEDOT muestra nuevos picos característicos a 1427 cm ⁻¹ y 1501 cm ⁻¹ , y estos picos se atribuyen a la vibración de estiramiento simétrica y asimétrica del enlace C =C en PEDOT. Los picos ubicados a 1361 cm ⁻¹ y 1267 cm ⁻¹ se atribuyen a C _β –C _β y C _α –C _α de anillo de tiofeno. El pico ubicado a 987 cm ⁻¹ surge de la vibración deformada del anillo de oxietileno [57]. Dos picos a 2856 cm ⁻¹ y 2939 cm ⁻¹ se atribuyen al PEDOT dopado [58,59,60].

Para investigar más a fondo el material compuesto obtenido, se utiliza el análisis XPS para confirmar la reducción de GO y la polimerización del monómero EDOT. La Figura 4 muestra los espectros XPS completos del compuesto después del tratamiento hidrotermal. Muestra claramente que solo los elementos C, S y O se distribuyen en el compuesto. El pico a 980 eV corresponde al pico Auger del elemento O, y el pico a 529 ~ 537 eV se atribuye a los O _1s . Los picos a 229 eV y 165 eV son el resultado de S _1s y S _2p , respectivamente. Según los contenidos relativos de C, O y S en el compuesto, la relación de átomos calculada de C / O, C / S y O / S es 3,42, 14,95 y 4,38, respectivamente. Se ha encontrado que la relación de átomos real de C / S y O / S es más alta que la del PEDOT puro (10,33 y 4,07). Concluimos que el -OH y C-O-C desencadenan la polimerización del monómero EDOT principalmente, y algunos otros grupos funcionales en GO no se reducirán en este proceso. Entonces, los grupos residuales en rGO aumentarán la proporción de átomos de C y S en consecuencia.

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

La Figura 4 b, cyd muestra los picos de ajuste C1s, O1s y S2p de rGO / PEDOT caracterizados por XPS. En los espectros C1s, el pico de alta intensidad situado en 284,8 eV se atribuye a la hibridación sp2 en enlaces C – C / C =C [61]. Los picos ubicados en 285,8 eV y 288,8 eV se elevan desde el enlace C-S en PEDOT y carboxilo no eliminado, respectivamente. El pico presente en 286,7 eV resulta del enlace C-O-C en el anillo de tiofeno. En cuanto a los picos de O1s, el pico ubicado en 533.1 eV se atribuye al grupo epoxi y al enlace C – O – C en PEDOT, y los picos a 531.8 eV y 533.7 eV provienen de los grupos carboxilo y carbonilo no eliminados en el borde rGO. Los espectros de ajuste S2p muestran dos picos a 163,9 eV y 165,1 eV, que resultan de los picos de rotación S2p3 / 2 y S2p1 / 2 en C – S – C de PEDOT [62]. Además, se ha encontrado que en comparación con el espectro XPS de rGO puro obtenido mediante el método hidrotermal [63], se observó un cambio de energía de enlace de aproximadamente 0,6 eV en el compuesto rGO / PEDOT, y lo atribuimos a la interacción entre rGO y PEDOT polimerizado, que es consistente con los resultados de FT-IR. Combinando el análisis FT-IR y XPS, podemos confirmar aún más que los grupos oxhidrilo y epoxi en las hojas GO actúan como sitios activos primarios que desencadenan la polimerización del monómero EDOT, y el compuesto rGO modificado mediante polímero conductor se preparó mediante polimerización hidrotermal simple sin oxidantes. método. A partir de los resultados anteriores, explicamos tentativamente el mecanismo de polimerización. Por ejemplo, de los grupos C-O-C, que actúan como desencadenantes de polimerización en el ambiente de calentamiento del baño de agua, el enlace C-O en el anillo GO comienza a romperse, lo que hace que el átomo de O se cargue negativamente, y el enlace C-H en el EDOT comienza a romperse simultáneamente. Por lo tanto, bajo la acción electrostática, los electrones libres no apareados en el átomo O del grupo de oxígeno del anillo GO atraen el H ⁺ roto. del monómero EDOT. En consecuencia, se forma un enlace O-H en la posición del grupo epoxi y el monómero EDOT se convierte en EDOT ^- radical. Combinando con dos H ⁺ iones, el átomo de O en el grupo epoxi se separa del GO para formar una molécula de agua, y la nueva molécula de EDOT se convierte en EDOT ^- radical de nuevo. Después de este paso, el radical EDOT se une a una nueva molécula de EDOT neutra y se forma el radical dímero de EDOT. Al mismo tiempo, otros monómeros de EDOT continúan combinándose con GO y GO se reduce gradualmente, acompañado de la generación de agua. Luego, los radicales dímeros de EDOT formados por el paso 2 se mueven al grupo epoxi en GO debido a la interacción electrostática, luego se forma PEDOT con alto grado de polimerización. La ilustración esquemática total de la reacción se muestra en la Fig. 5. Además, una posible conexión de las láminas de grafeno por el aglutinante EDOT a través de una reacción redox también mejoraría el rendimiento conductivo del material compuesto.

El esquema del mecanismo de polimerización hidrotermal de rGO / PEDOT

La Figura 6 muestra las imágenes SEM de rGO y rGO / PEDOT tratados hidrotermalmente. Después del tratamiento hidrotermal, la rGO obtenida exhibe la morfología de arrugas típica (como se muestra en la Fig. 6b), que no muestra una diferencia clara con las hojas GO (como se muestra en la Fig. 6a). En cuanto al material compuesto rGO / PEDOT, se presenta la morfología con láminas de rGO cubiertas por partículas PEDOT (como se muestra en la Fig. 6c), que también es confirmada por el análisis TEM (como se muestra en la Fig. 6d). Estos resultados revelan que las partículas de PEDOT se anclan con éxito en láminas de rGO a través de un método de polimerización hidrotermal libre de oxidantes. El análisis EDS también confirma el anclaje de la capa PEDOT en láminas rGO con la evidencia de que la distribución de los elementos S y O se presenta en la capa compuesta.

Imágenes SEM de a IR, b rGO tratado hidrotermalmente, c rGO / PEDOT hidrotermal-polimerizado, y d Imagen TEM de rGO / PEDOT

Debido a la reducción de GO en rGO y al anclaje de PEDOT altamente conductivo en láminas de rGO, el compuesto rGO / PEDOT obtenido sería beneficioso para mejorar la conductividad. La Tabla 1 muestra la conductividad de GO, rGO y rGO / PEDOT después del tratamiento hidrotermal. Se logra una mejora obvia de la conductividad después de la agitación hidrotermal, lo que indica la reducción parcial de GO en rGO. Además, después de la reacción hidrotermal con la adición de monómero EDOT, el material compuesto obtenido muestra la mejora drástica de la capacidad conductora. En comparación con rGO tratado hidrotermalmente, se observan casi 4 órdenes de magnitud de aumento de conductividad en rGO / PEDOT, debido a la reducción total de GO y al recubrimiento de PEDOT altamente conductivo en láminas de rGO. La Tabla 1 también indica que la relación de masa de GO muestra una clara influencia en el rendimiento conductivo del compuesto obtenido y una adición optimizada de 4 g de GO da como resultado la conductividad más alta, que resulta de la polimerización eficiente de EDOT y el anclaje de PEDOT en rGO.

Este material compuesto altamente conductor se puede depositar sobre diferentes sustratos fácilmente mediante métodos de recubrimiento por pulverización o centrifugado a medida que se evalúan los materiales de los electrodos y los rendimientos electroquímicos. La Figura 7 muestra las curvas de voltametría cíclica (CV) de los electrodos rGO tratados hidrotermalmente y rGO / PEDOT hidrotermal-polimerizados (Fig. 7a-d). Se puede ver que se logró un claro aumento del área de CV después de la modificación de PEDOT en láminas rGO. Tanto la pseudocapacitancia de PEDOT como la capacitancia eléctrica de doble capa (EDLC) de rGO se atribuyen a la capacitancia total de los electrodos compuestos. Con el aumento de la velocidad de exploración, se observa el aumento relativo del área de curado de CV, lo que indica el excelente rendimiento de capacitancia de los electrodos compuestos. La Figura 7e muestra las curvas CV de electrodos compuestos rGO / PEDOT preparados con diferentes relaciones de masa GO / EDOT. Se ha demostrado que con el aumento del contenido de GO a un contenido constante de monómero EDOT, los electrodos rGO / PEDOT obtenidos presentan mayor capacitancia específica (SC) debido a que más GO se reducen a rGO y el monómero EDOT se polimeriza en PEDOT de manera más eficiente. Este resultado también es consistente con la investigación del desempeño conductivo e indica que el contenido de GO adecuado en la reacción hidrotermal debe optimizarse para obtener un compuesto con buen desempeño conductivo y electroquímico.

Curvas CV de a rGO, b rGO / PEDOT1, c rGO / PEDOT2 y d rGO / PEDOT3 a diferente tasa de voltaje de escaneo, y e comparó la curva CV de rGO con diferentes rGO / PEDOT a una tasa de voltaje de escaneo de 30 mV / s

También se prueban las curvas de carga y descarga de corriente constante (GCD) de diferentes electrodos rGO / PEDOT, que se muestran en la Fig. 8a-c. Con el aumento de la densidad de la corriente de exploración, se observa el aumento relativo del área de curado de GCD, lo que indica el excelente rendimiento de carga / descarga de los electrodos compuestos. El rendimiento de GCD de los electrodos compuestos también muestra una relación dependiente del contenido de GO, que se muestra en la Fig. 8d. Con el aumento del contenido de GO durante la polimerización hidrotermal, se observa el aumento del área de la curva GCD de los electrodos compuestos obtenidos, lo que indica que se puede lograr un mejor rendimiento de almacenamiento de energía con una relación de masa de GO optimizada durante la reacción hidrotermal, que muestra la misma tendencia con CV rendimiento.

Curvas MCD de a rGO, b rGO / PEDOT2 y c rGO / PEDOT3 con el aumento de la densidad de corriente de exploración. d Curvas GCD de rGO y diferentes electrodos rGO / PEDOT a 0.053 A / cm ³ escaneo de densidad de corriente

La Tabla 2 muestra la capacitancia específica calculada (SC) de rGO y diferentes electrodos rGO / PEDOT. En la tabla, podemos ver que la proporción adecuada de masa de GO muestra una influencia clara en el rendimiento de SC de los electrodos compuestos obtenidos. El SC del electrodo compuesto aumenta de 120,5 F / ga 202,7 F / g con la masa de GO aumentando de 1,5 ga 4 g, lo que es razonable para una reducción más completa de GO y la producción de PEDOT polimerizado. Cuando la relación de masa de GO aumentó a 4,5 g, se presentó un SC reducido del electrodo compuesto de aproximadamente 183,3 F / g. Este resultado es bueno, que consiste en la investigación conductiva presentada en la Tabla 1. Concluimos que la adición excesiva de GO resultó en una agregación distinta y la reducción de la capacitancia específica del electrodo compuesto ocurrió en consecuencia. Después del anclaje de la partícula PEDOT en las láminas de rGO a la concentración adecuada de GO, la introducción de la pseudocapacitancia PEDOT mejoraría la capacitancia específica obviamente que el electrodo rGO puro. Nuestros electrodos compuestos muestran una capacitancia específica (SC) más alta que los electrodos rGO puros reportados con arquitectura variada [64, 65], nuestro electrodo compuesto rGO / PEDOT previamente reportado preparado a través de un método de polimerización oxidante [66], electrodos compuestos rGO / PEDOT:PSS [ 67, 68], compuesto rGO / Polipirrol (PPY) [69], y nuestro electrodo PEDOT / rGO obtenido de la mezcla física (Tabla 3). Estos electrodos también muestran un rendimiento de SC comparable con un electrodo de alta SC rGO / polianilina (PANi) [70], pero muestran una mayor conductividad, lo que es un beneficio para construir dispositivos de alta densidad de potencia. Además, como materiales de electrodo poroso, nuestro electrodo compuesto exhibe 66.5F cm ⁻³ capacitancia volumétrica (VC), que era comparable para el electrodo de alto VC construido a partir de aerogel de grafeno / polímeros conductores [71].

La Figura 9a muestra los gráficos de Nyquist de rGO y diferentes electrodos compuestos rGO / PEDOT. Se puede ver que los electrodos compuestos muestran una menor resistencia interna (Rs) que el rGO puro. El electrodo Rs más pequeño proviene de la reacción hidrotermal optimizada bajo una relación de masa GO / EDOT optimizada, que puede desencadenar la polimerización de EDOT de manera eficiente y la reducción de GO a fondo, y los electrodos obtenidos exhiben una mayor capacidad conductora. Este resultado de Rs también es coherente con el resultado de conductividad de los diferentes electrodos mencionados anteriormente. También se evalúa el rendimiento de velocidad de los electrodos compuestos rGO / PEDOT y rGO preparados mediante reacción hidrotermal, y este rendimiento es vital para la aplicación real para aplicaciones de almacenamiento de energía. Como se muestra en la Fig. 9b, los electrodos rGO / PEDOT exhiben una buena capacidad cíclica y la capacitancia específica se mantiene por encima del 90% después de más de 9000 ciclos de ciclo a una densidad de corriente de exploración de 1,0 A / g. Como sabemos que el polímero conductor puro exhibirá una estabilidad electroquímica deficiente después de ciclos prolongados, nuestros electrodos compuestos rGO / PEDOT muestran una buena estabilidad después de ciclos prolongados. Atribuimos esto a la excelente resistencia mecánica de rGO, que proporciona un soporte estable para el polímero PEDOT durante el proceso de carga / descarga. Además, este electrodo compuesto también muestra una excelente capacidad flexible, que se caracteriza y se muestra en la Fig. 9c. Se puede ver que más del 95% de la capacitancia inicial del electrodo se mantiene después de tres mil de flexión libre, lo que muestra un rendimiento prometedor para construir dispositivos flexibles de almacenamiento de energía.

un Rendimiento EIS de GO tratado hidrotermalmente y rGO / PEDOT hidrotermal-polimerizado. b Rendimiento cíclico de los electrodos rGO / PEDOT a una densidad de corriente de escaneo de 1.0 A / g, las inserciones son imágenes ópticas de rGO / PEDOT depositadas en ITO y tela de algodón. c Fiabilidad de capacitancia del electrodo flexible rGO / PEDOT3

Conclusiones

El nanocompuesto rGO / PEDOT se ha preparado con éxito mediante un método de polimerización hidrotermal. La capa ultrafina conductora de PEDOT se construyó sobre láminas de rGO mediante un método de polimerización sin oxidantes en una solución acuosa de GO. En esta reacción hidrotermal, los grupos funcionales en las hojas de GO desencadenan la polimerización de EDOT y, en consecuencia, los GO se reducen a rGO. Los resultados del desempeño conductivo y electroquímico indicaron que el rGO anclado en PEDOT exhibió una alta conductividad y mostró una mayor capacidad de almacenamiento de energía que el rGO puro preparado hidrotermalmente. Además, la excelente capacidad mecánica de rGO proporciona un soporte robusto para realizar PEDOT simultáneamente durante el proceso de almacenamiento de energía. Esta nanoestructura altamente conductora de polímero conductor PEDOT en rGO muestra una aplicación prometedora para electrodos electroquímicos de alto rendimiento y dispositivos flexibles.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los conjuntos de datos se presentan en el documento principal o en los archivos de respaldo adicionales.

Abreviaturas

CP:: Polímeros conductores
CV:: Voltamperometría cíclica
EDLC:: Electric double layer capacitance
EDOT:: 3,4-ethylenedioxythiophene
EDOT:: Polymerization of 3,4-ethylenedioxythiophene
EIS:: Espectroscopia de impedancia electroquímica
GCD:: Galvanostatic charge–discharge
GO:: Óxido de grafeno
PANi:: Polianilina
PEDOT:: Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)
PPY:: Polipirrol
PSS:: Poly (styrenesulfonate)
rGO:: Óxido de grafeno reducido
Rs:: Resistant
SC:: Specific capacitance

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