توصيفگر ها :
ابرخازن انعطاف پذير , الكترود بر پايه منسوج , گرافن اكسيد احيا شده , نانوذرات نقره , پلي آنيلين
چكيده فارسي :
هدف از انجام اين تحقيق، بهبود خواص خازني الكترود پارچه پنبهاي (CF) پوشش داده شده با گرافن اكسيد احيا شده (RGO) با استفاده از ايجاد خاصيت شبه خازني توسط روشهاي ساده و با قابليت توليد انبوه و توليد الكترودهاي كامپوزيتي با كارايي الكتروشيميايي و انعطاف پذيري بالا ميباشد. بدين منظور ابتدا CF توسط GO با استفاده از روش غوطه وري و خشك كردن پوشش دهي شد و فرايند احياي شيميايي با استفاده از سديم دي تيونيت انجام شد. در ادامه پوشش دهي نانوذرات نقره (Ag) به عنوان يك ماده شبه خازن با رسانايي الكتريكي و عمر چرخهاي بالا با استفاده از سه روش الكترولس مختلف جهت توليد الكترودهاي Ag/RGO/CF انجام شد. تاثير روش الكترولس بر خواص مرفولوژيكي، ساختاري، الكتريكي و الكتروشيميايي مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه سازش بين مقدار نانوذرات رسوب كرده بر سطح الكترود، رسانايي الكتريكي و خواص الكتروشيميايي جهت دستيابي به الكترودي با خواص ذخيره انرژي بالا مورد نياز ميباشد. يك روش بسيار ساده، مقرون به صرفه و بسيار سريع الكترولس نقره كه در دماي محيط بر سطح الكترود RGO/CF انجام شد، منجر به دستيابي به الكترودي با مرفولوژي متخلخل به هم پيوسته شد. اين الكترود، ظرفيت خازني ويژه برابر F g-1 10±426 را در الكتروليت 5/0 مولار NaOH و در نرخ روبش mV s-1 5 نشان داد كه به ترتيب 6/2 و 7/4 برابر بيشتر از الكترودهاي RGO/CF (F g-1 5±160) و Ag/CF (F g-1 4±89) ميباشد. ابرخازن متقارن انعطاف پذير تمام جامد بر پايه اين الكترود، از چگالي انرژي بالاي Wh kg-1 6/34 و پايداري الكتروشيميايي تحت شرايط خمش مكانيكي مكرر(89 درصد از ظرفيت خازني اوليه پس از 1000 سيكل خمش حفظ شد) برخوردار بود. يكي ديگر از مواد شبه خازن كه قابليت ايجاد ظرفيت خازني و چگالي انرژي بالايي را دارد، پليآنيلين (PANI) ميباشد. در اين مرحله از تحقيق با استفاده از پوشش دهي پليآنيلين بر سطح الكترود RGO/CF، خواص خازني آن به ميزان قابل توجهي بهبود داده شد. به منظور تعيين بهترين شرايط سنتز پليآنيلين، اثر نسبت مونومر به اكسيد كننده، نوع اكسيد كننده و فرايند ددوپ كردن بر مرفولوژي و خواص خازني الكترودهاي PAN/RGO/CF مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج حاصل از بررسيهاي مرفولوژيكي، رسانايي الكتريكي و خواص الكتروشيميايي نشان داد كه نسبت مونومر به اكسيد كننده برابر 1: 5/0، اكسيد كننده آمونيوم پرسولفات و پليمر در حالت دوپ شده منجر به ايجاد مرفولوژي نانوسيمهاي عمودي با ميزان تخلخل و تراكم مناسب و در نتيجه بالاترين ميزان كارايي ذخيره انرژي ميشود. ابرخازن متقارن تمام جامد انعطاف پذير بر پايه اين الكترود از ظرفيت خازني ويژه بالاي F g-1 367 در چگالي جريان A g-1 3/0، پايداري الكتروشيميايي تحت شرايط خمش مكانيكي مكرر (حفظ 5/91 درصد از ظرفيت خازني ويژه اوليه پس از 1000 بار خمش)، چگالي انرژي بالاي Wh kg-1 9/35 و عمر چرخهاي بسيار خوبي برخوردار بود. همچنين اصلاح سطحي ساده GO توسط KOH به مدت 2 ساعت، خواص خازني الكترود RGO/CF را به دليل افزايش ميزان آبدوستي و القاي اثرات شبه خازني ناشي از حضور گروههاي عاملي اكسيژن داربه ميزان قابل توجهي بهبود بخشيد.
چكيده انگليسي :
The main purpose of this study is to improve the capacitive performance of reduced graphene oxide (RGO) coated cotton fabric (CF) by induction of pseudo-capacitive effects using simple and mass production methods. For this purpose, The CF was first coated by GO using the dipping-drying process as a simple, economical, and reproducible technique. Subsequently, via an environmentally friendly chemical reduction process with sodium dithionite, the GO on the CF surface was successfully converted to RGO. Three different electroless silver plating (ESP) methods were used to prepare the silver nanoparticles (AgNPs)/RGO/CF composite electrodes. The effect of the ESP method on morphological, structural, electrical, and electrochemical properties of the composite electrodes was evaluated. It was found that a tradeoff between the amount of deposited AgNPs, conductivity, and electrochemical performance is required to prepare the electrode with high energy storage ability. The simple and rapid ESP method, which was performed on the surface of RGO/CF at room temperature, achieved the electrode with the interconnected porous morphology providing the highest energy storage performance. This morphology provided easy electron transfer, short ion diffusion pathways, and increased penetration of the ions into the electrode materials, leading to improved electrochemical performance. This electrode showed high specific capacitance of 426±10 F/g in 0.5 M NaOH electrolyte during the CV cycles. Symmetric supercapacitor cell based on Ag/RGO/CF composite possessed outstanding cycle life (126% retention of initial specific capacitance after 1000 charge-discharge cycles) and good rate capability. All-solid-state flexible symmetric supercapacitor (ASFSSC) was assembled using this composite textile, which exhibited a high electrochemical performance stability under mechanical bending (89 % of initial capacitance retained after 1000 bending cycles) and delivered energy density as high as 34.6 Wh kg-1 (at a power density of 125 W kg-1). Polyaniline (PANI) is another pseudocapacitive material with high energy storage ability, which was used in this study to improve the electrochemical performance of RGO/CF electrode. The effect of monomer to oxidant ratio, oxidant type and de-doping process on morphological, structural, electrical, and electrochemical properties of the PANI/RGO/CF electrodes prepared by chemical polymerization method was investigated. The results showed that when the monomer to oxidant ratio is 1:0.5, oxidant is ammonium persulfate and polyaniline is fully doped, vertically polyaniline nanowires are synthesized on the RGO/CF electrode surface, resulting in the highest energy storage performance. ASFSSC based on this electrode exhibited a high specific capacitance of 367 F/g at a current density of 0.3 A/g and excellent electrochemical performance stability under mechanical bending (91.5 % of initial capacitance retained after 1000 bending cycles). This ASFSSC delivered high energy density of 35.9 Wh kg-1 (at a power density of 130.5 W kg-1). Also, through simple reaction of KOH with GO before coating on the surface of CF, the electrochemical performance of RGO/CF electrode significantly improved due to enhanced wettability and presence of residual oxygen-functional groups for pseudo-capacitance. The specific capacitance of KOH-treated RGO/CF was 164±7 F g-1 which is higher than that of RGO/CF (119±4 F g-1). The novel synthesized electrodes in this study can be promising candidates for the next-generation of wearable supercapacitors owing to their high flexibility and superior electrochemical performance.