Anclaje Libre de Oxidante de PEDOT Ultradelgado en Óxido de Grafeno Reducido para Supercapacitores Flexibles de Alto Rendimiento

Resumen

Presentamos una síntesis hidrotermal simple, libre de oxidante, que deposita policloro(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) ultradelgado directamente sobre nano láminas de óxido de grafeno reducido (rGO). Los grupos hidroxilo y epóxido en el óxido de grafeno (GO) actúan como oxidantes in situ, desencadenando la polimerización de EDOT mientras reducen concurrentemente GO a rGO. El compuesto rGO/PEDOT resultante exhibe una conductividad de 88.5 S cm⁻¹ y una capacitancia específica de 202.7 F g⁻¹ en H₂SO₄ 1 M. Pruebas electroquímicas muestran >90 % retención de capacitancia tras 9000 ciclos y 98 % retención tras 3000 ciclos de flexión cuando se deposita en tela de algodón, subrayando su promesa para dispositivos de almacenamiento de energía flexibles.

Aspectos Destacados de la Investigación

• Grupos funcionales en GO impulsan tanto la reducción como la polimerización de PEDOT sin oxidantes externos.
• El rGO/PEDOT resultante alcanza conductividad y capacitancia específica récord entre compuestos hidrotermales.
• Los electrodos retienen alta estabilidad bajo ciclos prolongados y flexión mecánica.

Introducción

Los polímeros conductores (CPs) como PEDOT han emergido como materiales clave para almacenamiento de energía de alta potencia debido a su comportamiento redox reversible y excelente conductividad eléctrica. Sin embargo, electrodos de CP puro a menudo sufren de poca robustez mecánica y conductividad limitada. La hibridación de CPs con nanoestructuras de carbono —particularmente derivados del grafeno— ha probado ser efectiva para mejorar tanto capacitancia como durabilidad. Los métodos de síntesis convencionales típicamente requieren oxidantes químicos, complicando la purificación e introduciendo potencialmente impurezas residuales. Aquí demostramos una ruta hidrotermal verde, libre de oxidante, que aprovecha los grupos funcionales intrínsecos de GO para reducirlo simultáneamente y polimerizar PEDOT, produciendo un compuesto sinérgico con rendimiento electroquímico superior.

Materiales y Métodos

Materiales

Escamas de grafito (Sigma-Aldrich) se convirtieron a GO vía método Hummers. Monómero EDOT (Bayer) y todos los reactivos fueron de grado analítico.

Preparación de rGO/PEDOT

Una solución de 50 µL EDOT se añadió a 50 mL agua DI, agitada por 2 h. GO (1.5 g) se dispersó en 30 mL agua, agitada 1 h, y centrifugada a 2500 rpm. La solución EDOT se introdujo gota a gota en la dispersión de GO y se agitó a 60 °C por 6 h, seguido por 90 °C por 2 h para completar polimerización y reducción. Variaciones en carga de GO (1.5 g, 3 g, 4 g, 4.5 g) produjeron compuestos rGO/PEDOT1-4. rGO puro se preparó bajo condiciones idénticas sin EDOT.

Caracterización y Pruebas Electroquímicas

Morfología se examinó por SEM (Hitachi S-2400) y TEM. UV-Vis (Shimadzu UV-1700), FT-IR (ALPHA), Raman (WITec), XPS (Thermo Fisher) y conductividad eléctrica (sonda de cuatro puntas SX193) se usaron. Medidas electroquímicas emplearon estación CHI600 con electrolito H₂SO₄ 1 M, contraelectrodo Pt, referencia Ag/AgCl. Datos CV, GCD y EIS se recopilaron a temperatura ambiente.

Resultados y Discusión

Confirmación Espectroscópica de Polimerización In Situ

Espectros UV-Vis muestran el desplazamiento característico π→π* de 225 nm (GO) a 241 nm (rGO) y una banda ancha de absorción PEDOT (450-800 nm). Espectros FT-IR y Raman confirman remoción de grupos C-OH y C-O-C y aparición de vibraciones PEDOT C-S, C-O-C y C=C. XPS revela ratios C/S/O indicativos de polimerización exitosa y retención parcial de grupos funcionales que facilitan reacciones adicionales.

Morfología y Conductividad

Imágenes SEM muestran láminas rGO con nanopartículas PEDOT recubiertas uniformemente; TEM corrobora la capa delgada de PEDOT. Medidas de conductividad muestran un aumento de cuatro órdenes de magnitud de rGO (≈0.02 S cm⁻¹) a rGO/PEDOT (88.5 S cm⁻¹), con carga óptima de GO a 4 g. La alta conductividad surge tanto de la red de grafeno prístina como de la capa PEDOT altamente conductora.

Rendimiento Electroquímico

Curvas CV de rGO/PEDOT exhiben picos redox agrandados y área incrementada relativa a rGO, reflejando capacitancia pseudocapacitiva combinada (PEDOT) y de doble capa (rGO). Pruebas GCD muestran capacitancia específica aumentando de 120.5 F g⁻¹ (rGO) a 202.7 F g⁻¹ (rGO/PEDOT3) y manteniendo >90 % tras 9000 ciclos. Datos EIS revelan resistencia serie (Rs) reducida y transferencia de carga más rápida en el compuesto. Electrodos flexibles fabricados en tela de algodón retienen 98 % de capacitancia inicial tras 3000 ciclos de flexión libre, demostrando robustez mecánica.

Insight Mecanístico

Durante el tratamiento hidrotermal, los grupos epóxido e hidroxilo de GO oxidan EDOT, generando radicales EDOT que polimerizan en PEDOT mientras GO se reduce. La interacción intercapas resultante mejora vías electrónicas y adhesión mecánica, explicando la estabilidad electroquímica observada.

Conclusiones

Hemos desarrollado un método hidrotermal libre de oxidante que simultáneamente reduce GO y ancla PEDOT ultradelgado, produciendo nanocompuestos rGO/PEDOT con conductividad 88.5 S cm⁻¹, capacitancia 202 F g⁻¹ y estabilidad excepcional de ciclos y flexión. Estos hallazgos proporcionan una ruta escalable hacia electrodos de supercapacitores flexibles de alto rendimiento.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los conjuntos de datos están incluidos en el manuscrito principal o archivos suplementarios.