Оптимизированное расслоение графита в зависимости от времени для изготовления псевдокомпозита на основе графена/GO/GrO.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 14218 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Устройства высокой емкости (суперконденсаторы), изготовленные с использованием двумерных материалов, таких как графен и его композиты, в последнее время привлекают большое внимание исследовательского сообщества. Синтез 2D-материалов и их композитов высокого качества желателен для изготовления суперконденсаторов на основе 2D-материалов. Ультразвуковая жидкофазная эксфолиация (UALPE) — один из широко используемых методов синтеза графена. В этой статье мы сообщаем о влиянии изменения времени обработки ультразвуком на отшелушивание графитового порошка для извлечения образца с оптимальными свойствами, хорошо подходящими для применения в суперконденсаторах. Три разных графитовых порошка (далее именуемые образцом А, образцом В и образцом С) подвергались ультразвуковой обработке в течение 24 часов, 48 часов и 72 часов при 60°С. Расслаивание порошка графита на графен, GO и GrO исследовали методами РФА и рамановского рассеяния света. В дальнейшем АСМ и СЭМ были использованы для изучения слоистой структуры синтезированного нанокомпозита. УФ-видимая спектроскопия и циклическая вольтамперометрия использовались для измерения запрещенной зоны и емкостного поведения образцов. Образец B продемонстрировал замечательную удельную емкость 534,53 Ф/г с удельной емкостью заряда 530,1 Кл/г при 1 А/г и плотностью энергии 66 кВт/кг. Плотность мощности варьировалась от 0,75 кВтч/кг до 7,5 кВтч/кг при изменении плотности тока от 1 до 10 А/г. Образец B показал емкостное удерживание 94%, самый низкий импеданс и самую высокую степень отслаивания и проводимости по сравнению с двумя другими образцами.

Устройства хранения энергии всегда были цветущей областью исследований из-за постоянного роста спроса на энергию. Были реализованы различные типы устройств хранения энергии, которые хранят энергию химически, электрохимически, механически, кинетически, магнитно, термически и т. д. Например, топливные элементы, батареи, маховики, гидронасосы, супермагниты и т. д. Из-за постоянного роста потребления ископаемого топлива цены (страх истощения) и рост экологически чистой энергии привели к увеличению спроса на устройства хранения энергии. Электрохимические накопители энергии эффективно и экономично используют химическую энергию своего активного материала для выработки электрической энергии посредством окислительно-восстановительных реакций1. Эти устройства обладают высокой плотностью энергии или высокой плотностью мощности, что хорошо подходит для современной и будущей портативной электроники. Однако в настоящее время желательно достижение высокой плотности энергии и мощности при использовании одного и того же материала2. Суперконденсаторы обладают высокой удельной емкостью и высокой плотностью энергии, что делает их подходящим кандидатом для хранения энергии.

Двумерные материалы (2D-материалы) имеют наноразмерную толщину и демонстрируют превосходные электронные и механические свойства, такие как подвижность электронов, проводимость и механическая прочность. Многочисленные 2D-материалы являются кандидатами для хранения энергии, такие как графен, дихалькогениды переходных металлов (TMDC), карбиды или нитриды переходных металлов (MXenes), гексагональный нитрид бора (h-BN) и т. д. В основном 2D-материалы отслаиваются от своего 3D-предшественника, например Например, графен механически отслаивается от графита. В графите каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими атомами углерода, и каждый атом углерода находится в состоянии sp3-гибридизации. Эти атомы углерода расположены в гексагональных сотовых слоях со слабыми силами Ван-дер-Ваала между слоями. Благодаря этой слабой межслоевой связи графен можно отделить от графита. Графен демонстрирует необычайные свойства, такие как гибкость, непревзойденная теплопроводность и электронное поведение. Монослой графена представляет собой материал с нулевой запрещенной зоной и слоем sp2-гибридизированных атомов углерода. Из-за нулевой запрещенной зоны его использование в полупроводниковых устройствах ограничено.

Монослойный графен был впервые теоретически исследован Уоллесом в 19473 году. Андрей Гейм и Костя Новоселов использовали технику микромеханического расщепления для извлечения графена из графита4. Метод микромеханического расщепления или скотча — это подход «сверху вниз», при котором используется сыпучий материал и расслаивается до наномасштаба. В результате получается монослой графена, но это не масштабируемый процесс, и он очень утомителен из-за примесей, прикрепленных к листу графена. Для изготовления графена используются различные методы снизу вверх, такие как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), химическое осаждение из паровой фазы с плазменным усилением (PECVD), жидкофазное отшелушивание (LPE) и жидкофазное отшелушивание с помощью ультразвука (UALPE). Введено и оптимизировано химическое осаждение из паровой фазы (CVD), используемое для осаждения графена на металлические подложки и его переноса на различные подложки, такие как SiC5,6. Максимальный размер монокристалла, выращенного на диэлектрической подложке методом CVD, находится в пределах микрона7. Плазменное химическое осаждение из паровой фазы (PECVD) преодолевает недостатки CVD, выращивая графен при более низкой температуре и за меньшее время, ухудшая при этом качество размера домена8,9. 3D-графеновые пленки выращиваются на нанопористом анодном оксиде алюминия с использованием PECVD10. Жидкофазное отшелушивание (ЖФЭ) — это простой, дешевый и масштабируемый метод отшелушивания графена. В этом методе нет ограничений по температуре, графен получается в виде суспензии и может быть использован для изготовления электронных устройств. Однако некоторым растворителям может потребоваться большое время обработки ультразвуком для отшелушивания, а количество графена в дисперсии очень мало. Недавно нанопластинки графена отслаиваются от графита за относительно меньшее время обработки ультразвуком (3 часа) с использованием оксида графита в качестве диспергатора11. Графеноподобный материал получают прерывистым сдвигом промышленного порошка графита в деионизированной воде с использованием ПАВ Ultra Plus Konzentrat12. Использование простых диспергаторов очень важно для коммерциализации синтеза графена. При ультразвуковой жидкофазной эксфолиации (UALPE) порошок диспергируется в растворителе, и через дисперсию проходят ультразвуковые звуковые волны для получения дисперсий графена.