Modification de l'oxyde de graphène réduit en conduisant un polymère via une méthode de polymérisation hydrothermale et son application comme électrodes de stockage d'énergie

Faits saillants de la recherche

Dans cet article, comme moyen simple et facile, les groupes fonctionnels sur l'oxyde de graphène (GO) ont été directement utilisés comme oxydant pour déclencher la polymérisation du 3,4-éthylènedioxythiophène (EDOT) et les nanofeuillets GO ont été réduits en rGO en conséquence dans un milieu aqueux. La capacité spécifique élevée et la conductivité élevée de l'électrode composite ont été obtenues grâce à cette méthode simple. L'électrode composite a également montré une bonne stabilité et flexibilité de cyclage, ce qui a montré un avenir prometteur pour la construction de dispositifs flexibles hautes performances.

Introduction

Ces dernières années, les polymères conducteurs (PC) hautement conducteurs et électrochimiquement actifs se sont concentrés sur certaines applications prometteuses telles que les cellules solaires [1,2,3], les capteurs [4,5,6,7,8], le stockage d'énergie dispositifs [9,10,11] et bioélectronique [12,13,14]. Le dispositif de stockage d'énergie, tel que les supercondensateurs, a utilisé le polymère conducteur comme électrodes à haut rendement, qui peuvent offrir une pseudocapacité élevée en raison de son processus d'oxydation/réduction réversible dans les électrolytes [15,16,17,18]. Afin d'obtenir une électrode électrochimique à base de polymère conducteur avec une stabilité élevée, l'incorporation de polymère conducteur avec des matériaux carbonés et des matériaux d'oxyde métallique à nanostructure a été largement étudiée [19,20,21,22]. En raison des performances très stables de ces matériaux, l'amélioration significative de la stabilité électrochimique du polymère conducteur a été obtenue, ce qui permet également de construire des dispositifs avec d'excellentes performances de stockage d'énergie [23, 24]. Dans ces aspects, l'incorporation de polymère conducteur avec des nanomatériaux de carbone est plus appropriée pour obtenir simultanément des électrodes composites à haute densité d'énergie et densité de puissance. De plus, par rapport aux matériaux inorganiques, l'excellente flexibilité du polymère conducteur profite également à la construction d'électrodes flexibles, même les dispositifs flexibles pour les systèmes électroniques portables [25,26,27,28,29].

Les électrodes conductrices en polymère/nanomatériau de carbone présentent une densité d'énergie élevée en raison de la combinaison d'une pseudocapacité et d'une capacité électrique à double couche (EDLC) [15, 30, 31, 32]. Par conséquent, l'effet synergique optimisé entre deux composants est essentiel pour obtenir une électrode composite avec une capacité spécifique élevée et une stabilité élevée, ce qui signifie que les performances de l'électrode dépendent fortement de la méthode de préparation. Afin d'obtenir des structures hétérostructurées, différentes méthodes, telles que le mélange physique [33,34,35], la polymérisation électrochimique [36] et la polymérisation chimique in situ avec un oxydant [37,38,39,40], ont été utilisées pour préparer le polymère conducteur et son composite comme électrodes de supercondensateurs. En ce qui concerne la méthode de mélange physique, la distribution des puits et l'alliage de deux composants doivent être soigneusement examinés pour éviter la séparation de phases pendant le cycle de longue durée. En plus de la polymérisation chimique in situ avec un oxydant dans une solution ou un environnement gazeux, due à la polymérisation de monomère sur des nanomatériaux de carbone avec un processus thermodynamique, un excellent effet synergique a été confirmé dans ces matériaux composites [41, 42]. Cependant, ces deux méthodes de polymérisation in situ ont du mal à éliminer l'excès d'oxydant, ce qui aura une grande influence sur la morphologie et les performances associées des composites tels que préparés [43, 44]. Par conséquent, il a de grandes exigences pour préparer des nanomatériaux polymères/carbone conducteurs avec une méthode sans oxydant, qui produira un composite de manière simple et facile, couplant les avantages des nanomatériaux de carbone et du polymère conducteur.

Dans cet article, basé sur la capacité de traitement en solution de GO et de groupes fonctionnels sur des feuilles GO, le polymère conducteur poly (3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) s'ancra sur des feuilles GO par une simple méthode de polymérisation hydrothermale. Les groupes fonctionnels sur les feuilles GO jouent un rôle d'oxydant pour déclencher la polymérisation du monomère 3,4-éthylènedioxythiophène (EDOT), et un nanocomposite réduit d'oxyde de graphène (rGO)/PEDOT a été obtenu. Grâce à cette méthode sans oxydant, la modification ultramince et ultramoléculaire du polymère conducteur sur les nanofeuillets rGO a été réalisée. Le nanocomposite rGO/PEDOT résultant a été étudié en tant que matériaux d'électrodes électrochimiques prometteurs pour les applications de supercondensateurs.

Matériaux et méthodes

Matériaux

Les paillettes de graphite utilisées pour la préparation du GO ont été achetées auprès de Sigma-Aldrich. GO a été synthétisé à partir de paillettes de graphite naturel préparées par la méthode de Hummer [45]. Pour la polymérisation chimique in situ, le monomère EDOT a été acheté auprès de Bayer Company. D'autres réactifs chimiques de qualité analytique ont été achetés auprès de Chengdu Kelong Chemical Reagent Company et utilisés tels qu'ils ont été reçus.

Préparation du nanocomposite rGO/PEDOT

Cinquante microlitres de monomère EDOT ont été introduits dans 50 ml d'eau DI sous agitation magnétique pendant 2 h pour préparer la solution EDOT. La dispersion de GO stable a été préparée en introduisant 1,5 g de feuilles de GO dans 30 ml d'eau DI et soumise à une agitation magnétique pendant 1 h suivie d'une centrifugation à 2500 rpm. Par la suite, 10 ml de solution d'EDOT ont été goutte à goutte dans la solution de GO sous agitation magnétique à 60 °C pendant 6 h, puis, la température de réaction a été augmentée à 90 °C au moins 2 h pour la poursuite de la polymérisation de l'EDOT et la réduction de GO ( rGO/PEDOT1). Le diagramme schématique de la polymérisation EDOT et de la réduction de GO est présenté sur la figure 1. Afin de comparer l'influence des teneurs en GO sur les performances du composite obtenu, différentes masses de GO ont été ajoutées dans de l'eau DI pour la réaction hydrothermale. Ainsi, comme mentionné dans le processus de préparation ci-dessus, tous les paramètres expérimentaux sont les mêmes, à l'exception de la masse de GO ajoutée dans l'eau DI. En conséquence, des feuilles GO de 3 g, 4 g et 4,5 g ont produit les composites rGO/PEDOT2, rGO/PEDOT3 et rGO/PEDOT4, respectivement. Le rGO pur a été obtenu par la méthode hydrothermale mentionnée ci-dessus.

Le schéma de principe de la polymérisation hydrothermale de rGO/PEDOT

Test de caractérisation et de performance électrochimique

La morphologie de surface de GO et rGO/PEDOT a été étudiée à l'aide d'un microscope électronique à balayage (SEM, Hitachi, modèle S-2400). Le spectre UV-Vis du film a été caractérisé par un spectromètre UV-1700 (SHIMADZU). Le spectre FT-IR a été obtenu avec un instrument d'analyse ALPHA (Allemagne). Pour le test de conductivité, le rGO obtenu et la poudre composite ont été compressés en une forme de cylindre d'une taille de 5 mm (rayon) × 2 mm (hauteur) et testés à température ambiante. La conductivité électrique a été testée par un système de test à quatre sondes SX193 (Baishen, Suzhou, Chine). Les spectres XPS ont été réalisés en utilisant un spectromètre photoélectronique Escalab 250Xi (Thermo Fisher Scientific, USA). Les spectres Raman ont été enregistrés sur un modèle Alpha300 avec un laser à 532 nm (WITec, Allemagne). Les performances électrochimiques ont été étudiées en utilisant une station de travail électrochimique CHI600 (Chenhua, Shanghai, Chine). La voltamétrie cyclique (CV), la charge-décharge galvanostatique (GCD) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) ont été réalisées avec 1 mol/L H₂ SO₄ électrolyte aqueux utilisant une feuille de platine comme contre-électrode et Ag/AgCl comme électrode de référence. Toutes les mesures ont été effectuées à température ambiante.

Résultats et discussion

Le spectre UV-Vis du GO, du rGO traité hydrothermiquement et du rGO/PEDOT polymérisé hydrothermiquement est illustré à la Fig. 2.>π →π * transition de la liaison C=C. Un faible pic d'absorption à 297 nm résultant du n →π * la transition de la liaison C=O est également observée [46]. Après traitement hydrothermal, le rGO obtenu montre différents pics caractéristiques avec la preuve que le pic de 225 nm se déplace vers 241  nm et le pic de 297 nm disparaît. Ce résultat indique que le traitement hydrothermal élimine en partie les groupements fonctionnels sur les feuillets GO. La couleur de la solution GO passe également du jaune au noir profond après ce traitement hydrothermal (comme le montre la Fig. 1). Sur la Fig. 2, nous pouvons voir que le composite rGO/PEDOT montre un pic d'absorption à 270 nm, qui provient du π →π * transition de rGO [46]. De plus, un large pic d'absorption de 450  nm à la longueur d'onde du proche infrarouge apparaît dans le spectre en raison de l'absorption typique des polarons et des bipolarons dans le PEDOT polymérisé [24]. Après l'ajout du monomère EDOT dans la solution GO, le traitement hydrothermique déclenche la polymérisation de l'EDOT et le GO est réduit en rGO en conséquence, et cette méthode de polymérisation sans oxydant produit le composite rGO/PEDOT dans un environnement aqueux avec succès. On peut également voir sur la figure 2 qu'avec l'augmentation de la masse de GO au cours de la polymérisation hydrothermale, le rGO/PEDOT obtenu montre un décalage plus évident du pic d'absorption, passant de π →π * transition vers une longueur d'onde plus longue que le rGO pur. Ce résultat révèle que davantage de groupes fonctionnels dans GO ont été utilisés pour déclencher la polymérisation de l'EDOT à l'état sans oxydant.

Spectre UV-Vis de GO, rGO traité hydrothermiquement et rGO/PEDOT polymérisé hydrothermalement

Les analyses FT-IR et Raman ont été utilisées pour confirmer davantage quels groupes fonctionnels déclenchent la polymérisation du monomère EDOT pendant le traitement hydrothermal. La figure 3a montre le spectre FT-IR de GO, de rGO traité hydrothermiquement et de différents composites rGO/PEDOT. L'absorption culmine à 3395 cm ⁻¹ et 1726 cm ⁻¹ proviennent de la vibration d'étirement de la liaison C-OH et de la liaison C=O située au bord GO. Le 1620 cm ⁻¹ pic représente l'absorption des vibrations de la liaison C=C et 1420 cm ⁻¹ pic montant de la liaison –OH déformée sur le plan GO [47]. Le 1188 cm ⁻¹ le pic résulte de la vibration des liaisons C–O [48]. Après le traitement hydrothermal, les pics situés à 3395 cm ⁻¹ et 1419 cm ⁻¹ étaient manifestement affaiblis, indiquant l'élimination partielle du groupe -OH. Le pic de densité situé à 1726 cm ⁻¹ et 887 cm ⁻¹ résultant de l'absorption de -OH et C-O-C, qui s'affaiblit également nettement et disparaît même, indiquant que les groupes fonctionnels ci-dessus ont été réduits et sont réalisés comme des sites actifs possibles pour la polymérisation de l'EDOT [49, 50]. La réduction de GO est également confirmée par la preuve que la densité maximale de 1571 cm ⁻¹ augmente évidemment, résultant de l'absorption de la liaison C=C, ce qui indique la récupération de la structure conjuguée simple de rGO [51].

un Spectres FT-IR de GO, rGO traité hydrothermiquement et rGO/PEDOT polymérisé hydrothermiquement. b Spectres Raman de GO, rGO traité hydrothermiquement et rGO/PEDOT polymérisé hydrothermiquement

Après le traitement hydrothermal de la solution EDOT/GO, le spectre FT-IR du composite montre des pics caractéristiques du polymère PEDOT. On peut voir que le spectre du composite montre des pics en série à 687 cm ⁻¹ , 839 cm ⁻¹ , 930 cm ⁻¹ , et 980 cm ⁻¹ , qui découlent de la vibration de la liaison C-S dans PEDOT [52, 53]. De plus, les pics situés à 1026 cm ⁻¹ , 1137 cm ⁻¹ , et 1195 cm ^− 1 ont également été observés en raison de l'absorption d'étirement de la liaison C–O–C dans l'alkylènedioxy [54, 55]. Par conséquent, en comparant le spectre FT-IR de GO avec rGO/PEDOT, la disparition distincte de -OH (situé à 1420 cm ⁻¹ ) et C–O–C (situé à 887 cm ⁻¹ ) a été observée, indiquant que ces deux groupes fonctionnels déclenchent la polymérisation de l'EDOT principalement lors du traitement hydrothermal [56].

Le spectre Raman de GO, de rGO traité hydrothermiquement et de rGO/PEDOT polymérisé hydrothermiquement est illustré à la figure 3b. Par rapport aux GO et rGO purs, le rGO/PEDOT montre de nouveaux pics caractéristiques à 1427 cm ⁻¹ et 1501 cm ⁻¹ , et ces pics sont attribués à la vibration d'étirement symétrique et asymétrique de la liaison C=C dans PEDOT. Les pics situés à 1361 cm ⁻¹ et 1267 cm ⁻¹ sont attribués à C_β –C_β et C_α –C_α du cycle thiophène. Le pic situé à 987 cm ⁻¹ s'élève de la vibration déformée de l'anneau oxyéthylène [57]. Deux pics à 2856 cm ⁻¹ et 2939 cm ⁻¹ sont attribués au PEDOT dopé [58,59,60].

Afin d'étudier plus avant le composite obtenu, l'analyse XPS est utilisée pour confirmer la réduction de GO et la polymérisation du monomère EDOT. La figure 4 montre les spectres XPS complets du composite après le traitement hydrothermal. Il montre clairement que seuls les éléments C, S et O se répartissent dans le composite. Le pic à 980 eV correspond au pic Auger de l'élément O, et le pic à 529~537 eV est attribué au O_1s . Les pics à 229 eV et 165 eV résultent de S_1s et S_2p , respectivement. Selon les teneurs relatives en C, O et S dans le composite, le rapport atomique calculé de C/O, C/S et O/S est respectivement de 3,42, 14,95 et 4,38. Il a été trouvé que le rapport atomique réel de C/S et O/S est plus élevé que le PEDOT pur (10,33 et 4,07). Nous avons conclu que le -OH et le C-O-C déclenchent principalement la polymérisation du monomère EDOT et que certains autres groupes fonctionnels dans GO ne seront pas réduits dans ce processus. Ainsi, les groupes résiduels dans rGO augmenteront le rapport des atomes C et S en conséquence.

Spectres XPS de rGO/PEDOT. un Spectre complet. b C_1s . c O_1s . d S_2p

Les figures 4 b, c et d montrent les pics d'ajustement C1s, O1s et S2p de rGO/PEDOT caractérisés par XPS. Dans les spectres C1s, le pic de haute intensité situé à 284,8 eV est attribué à l'hybridation sp2 dans les liaisons C–C/C=C [61]. Les pics situés à 285,8  eV et 288,8 eV s'élèvent à partir de la liaison C-S dans PEDOT et carboxyle non supprimé, respectivement. Le pic présent dans 286,7 eV résulte de la liaison C-O-C dans le cycle thiophène. En ce qui concerne les pics O1s, le pic situé à 533,1 eV est attribué au groupe époxy et à la liaison C–O–C dans PEDOT, et les pics à 531,8  eV et 533,7 eV proviennent des groupes carboxyle et carbonyle non supprimés au bord rGO. Les spectres d'ajustement S2p montrent deux pics à 163,9 eV et 165,1 eV, qui résultent des pics de rotation S2p3/2 et S2p1/2 en C–S–C de PEDOT [62]. De plus, il a été trouvé que par rapport au spectre XPS de rGO pur obtenu par la méthode hydrothermale [63], le décalage de l'énergie de liaison d'environ 0,6 eV a été observé dans le composite rGO/PEDOT, et nous attribuons cela à l'interaction entre le rGO et PEDOT polymérisé, ce qui est cohérent avec les résultats FT-IR. En combinant les analyses FT-IR et XPS, nous pouvons en outre confirmer que les groupes oxhydryle et époxy des feuilles GO agissent comme des sites actifs principaux déclenchant la polymérisation du monomère EDOT, et le composite rGO modifié par un polymère conducteur a été préparé par simple polymérisation hydrothermale sans oxydant. méthode. A partir des résultats ci-dessus, nous expliquons provisoirement le mécanisme de polymérisation. Par exemple, pour les groupes C-O-C, agissant comme déclencheur de polymérisation dans l'environnement de chauffage du bain-marie, la liaison C-O dans l'anneau GO commence à se rompre, rendant l'atome O chargé négativement, et la liaison C-H dans l'EDOT commence à se rompre simultanément. Par conséquent, sous l'action électrostatique, les électrons libres non appariés dans l'atome O du groupe d'oxygène du cycle GO attirent le H ⁺ brisé. du monomère EDOT. En conséquence, une liaison O-H à la position du groupe époxy est formée et le monomère EDOT devient EDOT ⁻ radical. En combinant avec deux H ⁺ ions, l'atome O dans le groupe époxy se sépare du GO pour former une molécule d'eau, et la nouvelle molécule EDOT devient EDOT ⁻ radicale à nouveau. Après cette étape, le radical EDOT se lie à une nouvelle molécule EDOT neutre et le radical dimère EDOT est formé. Dans le même temps, d'autres monomères EDOT continuent de se combiner avec GO et GO est progressivement réduit, accompagné d'une génération d'eau. Ensuite, les radicaux dimères EDOT formés par l'étape 2 se déplacent vers le groupe époxy dans GO en raison de l'interaction électrostatique, puis PEDOT avec un degré de polymérisation élevé est formé. L'illustration schématique totale de la réaction est illustrée à la Fig. 5. De plus, une connexion possible des feuilles de graphène par le liant EDOT via une réaction redox améliorerait également les performances conductrices du composite.

Le schéma du mécanisme de polymérisation hydrothermale de rGO/PEDOT

La figure 6 montre les images SEM de rGO et rGO/PEDOT traités par hydrothermie. Après le traitement hydrothermal, le rGO obtenu présente la morphologie des rides typique (comme indiqué sur la figure 6b), qui ne montre aucune différence distincte avec les feuilles GO (comme indiqué sur la figure 6a). Comme pour le composite rGO/PEDOT, la morphologie avec des feuilles de rGO recouvertes de particules PEDOT est présentée (comme le montre la figure 6c), ce qui est également confirmé par l'analyse MET (comme le montre la figure 6d). Ces résultats révèlent que les particules PEDOT sont ancrées avec succès sur des feuilles de rGO grâce à une méthode de polymérisation hydrothermale sans oxydant. L'analyse EDS confirme également l'ancrage de la couche PEDOT sur les feuilles rGO avec la preuve que la distribution des éléments S et O est présentée dans la couche composite.

Images SEM de a ALLEZ, b rGO traité hydrothermal, c rGO/PEDOT polymérisé hydrothermiquement, et d Image TEM de rGO/PEDOT

En raison de la réduction de GO en rGO et de l'ancrage de PEDOT hautement conducteur sur des feuilles de rGO, le composite rGO/PEDOT obtenu serait bénéfique pour une conductivité améliorée. Le tableau 1 montre la conductivité de GO, rGO et rGO/PEDOT après le traitement hydrothermal. Une amélioration évidente de la conductivité est obtenue après l'agitation hydrothermale, indiquant la réduction partielle de GO en rGO. De plus, après la réaction hydrothermale avec l'ajout de monomère EDOT, le composite obtenu montre une amélioration drastique de la capacité conductrice. Par rapport au rGO traité hydrothermiquement, près de 4 ordres de grandeur d'augmentation de la conductivité sont observés dans le rGO/PEDOT, en raison de la réduction complète du GO et de la couverture de PEDOT hautement conducteur sur les feuilles de rGO. Le tableau 1 indique également que le rapport de masse de GO montre une influence distincte sur les performances conductrices du composite obtenu et qu'un ajout optimisé de 4  g de GO entraîne la conductivité la plus élevée, qui résulte d'une polymérisation efficace de l'EDOT et de l'ancrage de PEDOT sur rGO.

Ce composite hautement conducteur peut être déposé facilement sur différents substrats par des méthodes de pulvérisation ou de revêtement par centrifugation en tant que matériaux d'électrode et les performances électrochimiques sont évaluées. La figure 7 montre les courbes de voltamétrie cyclique (CV) des électrodes rGO traitées hydrothermiquement et rGO/PEDOT polymérisées hydrothermiquement (Fig. 7a–d). On peut voir qu'une nette augmentation de la surface CV a été obtenue après la modification du PEDOT sur les feuilles rGO. La pseudocapacité de PEDOT et la capacité électrique à double couche (EDLC) de rGO sont toutes deux attribuées à la capacité totale des électrodes composites. Avec l'augmentation de la vitesse de balayage, l'augmentation relative de la zone de durcissement CV est observée, indiquant l'excellente performance de capacité des électrodes composites. La figure 7e montre les courbes CV des électrodes composites rGO/PEDOT préparées avec différents rapports de masse GO/EDOT. Il a été montré qu'avec l'augmentation de la teneur en GO à une teneur constante en monomère EDOT, les électrodes rGO/PEDOT obtenues présentent une plus grande capacité spécifique (SC) en raison de plus de GO sont réduites en rGO et le monomère EDOT polymérisé en PEDOT plus efficacement. Ce résultat est également cohérent avec l'étude des performances conductrices et indique qu'une teneur en GO appropriée dans la réaction hydrothermale doit être optimisée pour obtenir un composite avec de bonnes performances conductrices et électrochimiques.

Courbes CV de a rGO, b rGO/PEDOT1, c rGO/PEDOT2 et d rGO/PEDOT3 à différents taux de tension de balayage, et e courbe CV comparée de rGO avec différents rGO/PEDOT à un taux de tension de balayage de 30 mV/s

Les courbes de charge et de décharge à courant constant (GCD) de différentes électrodes rGO/PEDOT sont également testées, qui sont illustrées à la Fig. 8a–c. Avec l'augmentation de la densité de courant de balayage, l'augmentation relative de la zone de durcissement GCD est observée, indiquant l'excellente performance de charge/décharge des électrodes composites. La performance GCD des électrodes composites montre également une relation dépendante du contenu GO, qui est illustrée à la Fig. 8d. Avec l'augmentation des teneurs en GO au cours de la polymérisation hydrothermale, l'aire de courbe GCD croissante des électrodes composites obtenues est observée, indiquant que les performances de stockage d'énergie améliorées peuvent être obtenues à un rapport massique GO optimisé pendant la réaction hydrothermale, qui montre la même tendance avec CV performances.

Courbes GCD de a rGO, b rGO/PEDOT2 et c rGO/PEDOT3 avec l'augmentation de la densité de courant de balayage. d Courbes GCD de rGO et différentes électrodes rGO/PEDOT à 0,053 A/cm ³ densité actuelle de numérisation

Le tableau 2 montre la capacité spécifique (SC) calculée de rGO et de différentes électrodes rGO/PEDOT. À partir du tableau, nous pouvons voir que le bon rapport de masse GO montre une influence distincte sur les performances SC des électrodes composites obtenues. Le SC de l'électrode composite augmente de 120,5 F/g à 202,7  F/g avec la masse GO augmentant de 1,5  g à 4  g, ce qui est raisonnable pour une réduction plus complète de GO et la production de PEDOT polymérisé. Lorsque le rapport de masse GO a été augmenté à 4,5  g, un SC réduit d'électrode composite d'environ 183,3 F/g a été présenté. Ce résultat est bon qui consiste en l'enquête conductrice présentée dans le tableau 1. Nous concluons que l'ajout excessif de GO a entraîné une agrégation distincte et la réduction de la capacité spécifique de l'électrode composite s'est produite en conséquence. Après l'ancrage de la particule PEDOT sur les feuilles rGO à la concentration GO appropriée, l'introduction de la pseudocapacité PEDOT améliorerait évidemment la capacité spécifique par rapport à l'électrode rGO pure. Nos électrodes composites présentent une capacité spécifique (SC) plus élevée que les électrodes rGO pures rapportées avec une architecture variée [64, 65], notre électrode composite rGO/PEDOT précédemment rapportée préparée par une méthode de polymérisation oxydante [66], les électrodes composites rGO/PEDOT:PSS [ 67, 68], composite rGO/Polypyrrole (PPY) [69], et notre électrode PEDOT/rGO obtenue à partir d'un mélange physique (Tableau 3). Ces électrodes présentent également des performances SC comparables à celles d'une électrode SC rGO/polyaniline (PANi) élevée [70], mais présentent une conductivité plus élevée, ce qui est un avantage pour la construction de dispositifs à haute densité de puissance. De plus, en tant que matériaux d'électrode poreux, notre électrode composite présente un 66,5F cm ⁻³ capacité volumétrique (VC), qui était comparable pour l'électrode à haute VC construite à partir d'aérogel de graphène/polymères conducteurs [71].

La figure 9a montre les tracés de Nyquist de rGO et différentes électrodes composites rGO/PEDOT. On peut voir que les électrodes composites présentent une résistance interne (Rs) plus petite que le rGO pur. La plus petite électrode Rs provient de la réaction hydrothermale optimisée sous un rapport massique GO/EDOT optimisé, qui peut déclencher efficacement la polymérisation de l'EDOT et une réduction complète de GO, et les électrodes obtenues présentent une capacité conductrice plus élevée. Ce résultat Rs est également bien cohérent avec le résultat de conductivité des différentes électrodes mentionnées ci-dessus. La performance de débit des électrodes composites rGO/PEDOT et du rGO préparé par réaction hydrothermique est également évaluée, et cette performance est vitale pour l'application réelle des applications de stockage d'énergie. Comme le montre la figure 9b, les électrodes rGO/PEDOT présentent une bonne capacité de cyclage et la capacité spécifique est maintenue au-dessus de 90 % après plus de 9 000 cycles à une densité de courant de balayage de 1,0  A/g. Comme nous savons que le polymère conducteur pur présentera une mauvaise stabilité électrochimique après un cycle de longue durée, nos électrodes composites rGO/PEDOT présentent une bonne stabilité après des cycles de longue durée. Nous attribuons cela à l'excellente résistance mécanique de rGO, qui offre un support stable au polymère PEDOT pendant le processus de charge/décharge. En outre, cette électrode composite présente également une excellente capacité de flexibilité, qui est caractérisée et illustrée sur la figure 9c. On peut voir que plus de 95% de la capacité initiale de l'électrode se maintient après trois mille de flexion libre, ce qui montre des performances prometteuses pour construire des dispositifs de stockage d'énergie flexibles.

un Performances EIS du GO traité hydrothermalement et du rGO/PEDOT polymérisé hydrothermalement. b Performances de cyclage des électrodes rGO/PEDOT à une densité de courant de balayage de 1,0 A/g, les inserts sont une image optique de rGO/PEDOT déposée sur ITO et tissu de coton. c Fiabilité de la capacité de l'électrode flexible rGO/PEDOT3

Conclusions

Le nanocomposite rGO/PEDOT a été préparé avec succès par une méthode de polymérisation hydrothermale. La couche conductrice ultrafine de PEDOT a été construite sur des feuilles de rGO par une méthode de polymérisation sans oxydant dans une solution aqueuse de GO. Dans cette réaction hydrothermale, les groupes fonctionnels sur les feuilles GO déclenchent la polymérisation de l'EDOT, et les GO sont réduits en rGO en conséquence. Les résultats des performances conductrices et électrochimiques ont indiqué que le rGO ancré PEDOT présentait une conductivité élevée et présentait une capacité de stockage d'énergie améliorée par rapport au rGO pur préparé par hydrothermie. De plus, l'excellente capacité mécanique de rGO offre un support robuste pour conduire PEDOT simultanément pendant le processus de stockage d'énergie. Cette nanostructure hautement conductrice de polymère conducteur PEDOT sur rGO présente une application prometteuse pour les électrodes électrochimiques hautes performances et les dispositifs flexibles.

Disponibilité des données et des matériaux

Tous les ensembles de données sont présentés dans le document principal ou dans les fichiers de support supplémentaires.

Abréviations

CP :

Polymères conducteurs

CV :

Voltamétrie cyclique

EDLC:

Electric double layer capacitance

EDOT:

3,4-ethylenedioxythiophene

EDOT:

Polymerization of 3,4-ethylenedioxythiophene

EIS :

Spectroscopie d'impédance électrochimique

GCD :

Galvanostatic charge–discharge

GO :

Oxyde de graphène

PANi:

Polyaniline

PEDOT:

Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)

PPY:

Polypyrrole

PSS:

Poly (styrenesulfonate)

rGO:

Reduced graphene oxide

Rs:

Resistant

SC:

Specific capacitance