Évaluation des structures graphène/WO3 et graphène/CeO x en tant qu'électrodes pour les applications de supercondensateurs

Contexte

Récemment, les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique tels que les supercondensateurs sont devenus les appareils les plus populaires en tant qu'alimentations dans une grande variété d'applications, des appareils électroniques portables, tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables, aux véhicules électriques hybrides [1]. Les supercondensateurs peuvent présenter une densité de puissance plus élevée et une durée de vie supérieure par rapport aux batteries conventionnelles. En même temps, ils présentent une densité énergétique plus faible [2].

Ceci est dû au mécanisme de stockage d'énergie différent entre les deux appareils. Contrairement aux batteries, où les ions sont stockés par liaison chimique aux matériaux des électrodes, dans les supercondensateurs, un stockage électrostatique de l'énergie a lieu par séparation de charge dans une double couche de Helmholtz [3]. De plus, les supercondensateurs présentent une pseudocapacité par le biais de réactions redox de surface qui contribuent au stockage électrochimique de l'énergie. Le mécanisme de stockage est ici basé sur des réactions d'oxydoréduction faradique avec transfert de charge. Divers matériaux d'oxyde métallique sont étudiés à cette fin, car la densité d'énergie associée à la réaction d'oxydoréduction faradique est d'un ordre de grandeur supérieur à celui attribué à la capacité à double couche.

Par conséquent, on considère que les supercondensateurs ont le potentiel de remplacer ou de compléter les batteries dans les applications de stockage d'énergie. La recherche dans cette direction se concentre sur le développement de nouvelles électrodes pouvant présenter des caractéristiques supérieures. Semblables aux batteries Li-ion, les matériaux à base de carbone sont préférés en raison de leur faible impact environnemental, de leur stabilité chimique, de leur conductivité élevée et de leur faible coût [4].

Le graphène, un nanomatériau émergent composé de tous les sp ² -atomes de carbone hybridés, possède des propriétés très intéressantes qui le rendent très attrayant pour être utilisé comme électrode dans ce type d'applications. Nous soulignons sa légèreté, sa conductivité électrique et thermique élevée, sa surface hautement ajustable (jusqu'à 2675 m ² /g), une forte résistance mécanique (~ 1 TPa) et une stabilité chimique [5,6,7]. Le graphène monocouche présente une capacité spécifique théorique d'environ 21 μF/cm ² et une capacité spécifique correspondante d'environ 550 F/g lorsque toute la surface est pleinement utilisée. À l'heure actuelle, une grande attention est accordée aux matériaux de graphène tridimensionnel, tels que les nanoparois et les nanomousses de graphène, qui peuvent fournir une densité d'énergie et une densité de puissance élevées, de l'ordre de 13 Wh kg ⁻¹ et 8 kW kg ⁻¹ , respectivement [8]. Cependant, ces matériaux nécessitent une technologie de croissance assistée par plasma plus complexe, pour augmenter la densité du plasma, ce qui rend difficile le contrôle de l'homogénéité [9].

De plus, les films planaires de graphène présentent l'avantage d'une croissance homogène et d'un bon couplage au substrat métallique, résultant du mélange de liaisons covalentes et ioniques sur l'interface graphène/cuivre [10], qui sert de collecteur de courant. Cependant, le film monocouche planaire de graphène a une surface relativement petite qui ne favorise pas le stockage de grandes quantités d'énergie. Une approche populaire pour surmonter ce problème consiste à combiner le graphène avec d'autres matériaux capables de stocker de l'énergie.

Les progrès récents dans la conception et l'optimisation d'électrodes à plus haute efficacité ont favorisé la combinaison de films d'oxyde de graphène et de graphène avec différents composites de métaux et d'oxydes métalliques [11,12,13,14,15,16,17,18,19], comme nanoparticules d'oxyde métallique, pour construire des supercondensateurs hybrides. De telles structures d'oxyde métallique contribuent à la capacité totale en fournissant une pseudocapacité élevée due aux réactions d'oxydoréduction faradiques qui se déroulent sur des électrodes de grande surface.

Sur cette conception, le graphène contribue, outre sa capacité de stockage, en tant que plateforme qui permet le couplage fort et un bon contact électrique entre les nanoparticules métalliques et le collecteur de courant. Des études antérieures ont révélé le rôle bénéfique du graphène en tant que coupleur entre le collecteur de courant et les nanotubes de carbone [20].

Lors d'autres travaux de recherche, des électrodes de graphène monocouche ont été mesurées pour présenter une capacité spécifique à double couche allant jusqu'à 135 F/g, alors qu'elles sont combinées avec d'autres composés tels que Fe₂ O₃ et MnO₂ , ils présentent des capacités allant jusqu'à 380 F/g [21, 22].

Dans le présent travail, nous avons fabriqué des nanocomposites graphène/oxyde métallique constitués d'une seule couche ou de trois couches empilées de nanocomposites graphène/oxyde métallique, combinant des techniques de transfert de graphène et de pulvérisation cathodique magnétron. Au-dessus de chaque couche de graphène, différentes particules d'oxyde métallique de WO₃ et PDG _x ont été pulvérisés.

L'oxyde de cérium est mentionné comme CeO _x dans tout le manuscrit car nous n'avons pas caractérisé les particules développées. Bien que le processus de pulvérisation cathodique ait été effectué avec un CeO₂ cible, les particules formées devraient apparaître sous-oxydées en raison de la perte possible d'oxygène au cours du processus de pulvérisation, mais elles sont principalement formées de CeO₂ , qui est la forme la plus stable d'oxyde de cérium. Par rapport au graphène monocouche, les piles de films de graphène ont plus d'interfaces électrode/électrolyte, ce qui est bénéfique pour l'absorption/désorption des ions électrolytes et fournit plus de voies électriques pour les ions électrolytes pendant les processus de charge et de décharge. Le dépôt de particules d'oxyde métallique améliore la capacité spécifique des couches ultraminces à une charge massique relativement faible [23]. Dans des travaux antérieurs, CeO _x les particules ont démontré une capacité élevée, de l'ordre de 119 mF/cm ² , lorsqu'il est associé à de la mousse de nickel [24]. Considérant le WO₃ films, un travail récent a rapporté des électrodes faites avec WO₃ tiges présentant une capacité de 266 F/g [25]. Les deux nanocomposites ont montré des caractéristiques redox électrochimiques et une réactivité ionique favorables. Nous avons choisi les oxydes métalliques ci-dessus car nous n'avons trouvé aucun travail récent faisant état de leur combinaison avec des films de graphène cultivés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Ainsi, nous procédons à l'étude de la façon dont ces composites hybrides se combinent entre eux et les caractéristiques de capacité des électrodes résultantes.

L'utilisation des mêmes conditions expérimentales dans la préparation des deux matériaux hybrides nous offre l'opportunité de comparer directement les performances électrochimiques des électrodes.

Pour mieux interpréter nos résultats, nous prenons en considération la contribution de la couche d'oxyde de cuivre natif dans la capacité globale de l'électrode.

Expérimental

Préparation des électrodes hybrides

Des films de graphène continus ont été cultivés par CVD en suivant les recettes de croissance décrites dans nos travaux précédents [26]. Nous rapportons brièvement le processus de croissance. Une feuille de cuivre polycristallin (75 μm d'épaisseur, 99% de pureté) a été découpée en ~ 0,7-1,0 cm ² morceaux, nettoyés dans un bain à ultrasons d'isopropanol et d'acétone, 10 min chacun, pour éliminer les impuretés et chargés dans la chambre. Tout d'abord, nous appliquons une gravure au plasma d'hydrogène pour éliminer l'oxyde de cuivre natif de la surface du cuivre. Le plasma radiofréquence (RF) est généré en appliquant 100 W à une pression de 20 Pa, sous un débit d'hydrogène de 20 scc. La gravure plasma dure 10 min. Ensuite, l'échantillon est acheminé dans un tube en quartz (couplé à la chambre à plasma) entouré d'un four. Le four est chauffé à 1040 °C et les gaz sont introduits dans le tube. Un mélange de méthane et d'hydrogène est introduit (5/20 sccm de méthane/hydrogène) pendant 20 min à 15 Pa, ce qui entraîne la couverture complète de la feuille de cuivre par du graphène monocouche. Ensuite, l'échantillon est laissé refroidir à température ambiante sous vide poussé (3 × 10 ⁻⁴ Pa) avant d'être retiré de la chambre. Ensuite, l'échantillon est placé dans un autre réacteur pour déposer les particules d'oxyde métallique. Les particules d'oxyde métallique ont été déposées sur la couche de graphène par pulvérisation cathodique magnétron réactive pulsée (1 Pa, 13/7 sccm/sccm d'Ar/O₂ débit, 60 W, 5 s de temps de dépôt, distance cible-substrat 10 cm), en utilisant, à chaque fois, la cible correspondante (W ou Ce). Pour préparer trois couches empilées de nanocomposites graphène/oxyde métallique, nous avons utilisé la méthode de transfert de graphène avec un support de revêtement polymère [26]. Le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) est appliqué par centrifugation sur le graphène, puis l'échantillon est immergé dans FeCl₃ pour graver le cuivre. La couche restante de graphène/oxyde métallique a ensuite été transférée sur une autre couche du même nanocomposite permettant la préparation du matériau empilé. Après le processus de transfert, le PMMA a été éliminé par rinçage à l'acétone. Le processus de préparation du composite est présenté dans le dessin schématique de la Fig. 1a.

Dessins schématiques. Légende détaillée :a Schéma montrant le processus de préparation de l'empilement graphène/MeO. b Schéma de la conception de la cellule. Le séparateur (filtre en fibre de verre) est imbibé de 1 M de LiClO4 dissous dans du carbonate d'éthylène (EC) et du carbonate de diéthyle (DEC) mélangés dans des proportions volumétriques 1:1

Caractérisation structurelle/morphologique

Les échantillons ont été caractérisés par spectroscopie Raman (Jobin-Yvon LabRam HR 800), microscopie électronique à balayage (MEB) (JEOL JSM7100F) et microscopie électronique à transmission (MET) (Bioscan Gatan JEOL 1010). Les mesures de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) ont été effectuées dans un système multitechnique PHI 5500 (de Physical Electronics) avec une source de rayons X monochromatique (Al K_α ligne d'énergie de 1486,6 eV et 350 W). Les mesures du profil de profondeur de la composition chimique par XPS ont été obtenues en pulvérisant la surface avec un Ar ⁺ source d'ions (énergie de 4 keV). Toutes ces mesures ont été faites dans des conditions d'ultra vide (UHV), entre 7 × 10 ⁻⁷ et 3 × 10 ⁻⁶ Pa.

Caractérisation électrochimique

Les propriétés électrochimiques des échantillons ont été analysées à l'aide d'une cellule Swagelok et organique (1 M LiClO₄ dissous dans le carbonate d'éthylène (EC) et le carbonate de diéthyle (DEC) mélangés dans des proportions volumétriques 1:1) électrolytes. Un filtre en fibre de verre a servi de séparateur (Whatman glassy-fiber GF/A). La figure 1b montre un dessin schématique de la cellule telle qu'utilisée (avec une couche de particules de graphène/oxyde métallique sur chaque électrode) qui a été utilisée pour les mesures de caractérisation électrochimique. La cellule a été fabriquée dans un MBRAUN Unilab dry N₂ boîte à gants (< 1 ppm O₂ et < 1 ppm H₂ O) en prenant en sandwich un séparateur organique imbibé d'électrolyte entre deux électrodes de graphène/MeO. Pour étudier le comportement de supercapacité des appareils, nous avons d'abord effectué des mesures de voltamétrie cyclique (CV) à différentes vitesses de balayage et avec une fenêtre de tension de 1,8 V.

Résultats et discussion

Structure hybride

Le dépôt rapide par pulvérisation cathodique des nanoparticules de MeO vise à éviter l'endommagement de la couche de graphène. Des périodes de pulvérisation plus longues pourraient endommager le graphène, car la pulvérisation est effectuée dans un plasma argon/oxygène. La figure 2a, b montre les images MET des particules d'oxyde de tungstène déposées sur la couche de graphène. La figure 2a montre le bord du film de graphène décoré de particules réparties de manière homogène sur la partie supérieure gauche de l'image. Les plus grosses particules ont un diamètre de 25 nm. La figure 2b fournit une image MET haute résolution de certaines particules d'oxyde de tungstène plus grosses. L'espacement d de la particule est mesuré à 0,31 nm, comme le confirme le modèle de diffraction électronique à aire sélectionnée (SAED) (encadré Fig. 2b), correspondant à un système tétragonal standard (101) de WO₃ . Les images SEM fournissent des informations sur la continuité du film de graphène (Fig. 2c). Nous observons que toute la zone est recouverte de graphène monocouche. Malgré quelques joints de grains visibles (contenus dans le carré bleu), la plupart des grains de graphène ont atteint la phase de coalescence, formant une couche continue. Certaines régions avec un contraste plus sombre (contenues dans le carré) sont le résultat de la nucléation d'une deuxième couche de graphène, bien que ces régions ne représentent qu'un très faible pourcentage de la surface totale, comme nous l'observons sur l'image. En évaluant les informations fournies par le spectre Raman (Fig. 2d), le I _2D /I _G rapport d'intensité (~ 2,47) et le pic 2D FWHM (~ 40 cm ⁻¹ ) confirment que le graphène est une seule couche. Le spectre a été obtenu après transfert du film de graphène sur un SiO₂ substrat afin d'éliminer le bruit résultant de la luminescence de la feuille de cuivre [27].

Caractérisation morphologique et structurale. Légende détaillée :a Image MET de la structure du film Gr/WO3 et des spectres Raman. b Image HRTEM de Gr/WO3 et diagramme de diffraction de l'oxyde de tungstène correspondant au tétragonal standard (101) de WO3. c Image SEM du film de graphène continu tel que cultivé. d Spectre Raman du film de graphène tel que cultivé après transfert sur SiO2

XPS a fourni des informations sur la formation d'oxyde de cuivre après recuit plasma et croissance de graphène. Les mesures ont été effectuées sur des substrats de cuivre avec et sans croissance de graphène sur le dessus afin de montrer que la présence de graphène favorise la formation de la couche d'oxyde de cuivre. La couche d'oxyde de cuivre natif a été réduite par recuit au plasma dans tous les échantillons (voir aussi la section « Expérimental »), avec et sans graphène. Nous effectuons un décapage de la surface pour observer les changements de sa composition. La figure 3a, b montre les spectres O1s de la surface de cuivre polycristallin dans un substrat avec du graphène cultivé sur le dessus et sans croissance de graphène, respectivement. Les deux échantillons ont été recuits pour éliminer l'oxyde de cuivre natif 20 jours avant la mesure XPS. Les différents spectres de chaque figure correspondent aux mesures effectuées immédiatement après les processus de recuit de l'échantillon. (voir la section « Expérimental »).

Caractérisation XPS. Légende détaillée :courbes XPS avec le spectre O1s pour la surface du cuivre polycristallin mesurée après divers recuits consécutifs a avec du graphène cultivé sur le dessus et b sans graphène cultivé sur le dessus

Pour obtenir des informations sur la quantité d'oxygène dans le cuivre, nous comparons les intensités des pics. Nous étudions le rapport d'intensité entre les pics par rapport à la première mesure (ligne noire). Après chaque décapage, nous obtenons des informations sur la composition chimique au plus en profondeur. Les deux premiers spectres (ligne noire et rouge) ont la même intensité. Le reste des spectres a une intensité plus faible. Définir le Je _n /I ₁ rapport, où je _n est l'intensité maximale du n spectres et I ₁ l'intensité maximale des premiers spectres, obtenue par mesure de surface, à partir de la Fig. 3, I _n /I ₁ Le rapport O1s diminue avec l'augmentation de n . Bien que, pour le même n , le rapport est plus élevé dans l'échantillon avec le graphène, révélant une concentration plus élevée d'oxygène (voir le tableau 1 pour des informations supplémentaires) et donc une couche d'oxyde de cuivre plus épaisse ; il faut souligner que nous ne disposons pas d'informations sur l'épaisseur de la couche qui est retirée après chaque décapage. La calibration est effectuée sur un SiO₂ film et entraîne une élimination de ~ 5 nm après chaque décapage. Grâce à l'analyse XPS ci-dessus, nous concluons que l'oxygène est toujours présent dans la feuille de cuivre, sur le cuivre nu et également sous la couche de graphène. De plus, nous obtenons des informations sur l'augmentation de l'oxydation en profondeur du cuivre lorsque le graphène est cultivé sur le dessus. L'oxyde de cuivre contribue avec sa capacité à la capacité globale de l'électrode.

Résultats électrochimiques

Dans la Fig. 4a, nous présentons les mesures CV des trois couches de graphène/CeO _x . La capacité spécifique, C _s , a été calculé par l'équation,

où C _s est la capacité spécifique en farad par gramme, m est la masse de la matière active en grammes, ΔV est la fenêtre de tension en volts, et q _un et q _c sont respectivement les charges anodique et cathodique en coulomb.

Caractérisation électrochimique. Légende détaillée :a Les mesures CV de la cellule consistaient en des électrodes avec trois couches de graphène/CeO₂ particules chacune, à des vitesses de balayage différentes. b Capacité interfaciale des différentes électrodes hybrides à différentes vitesses de balayage. Tous les appareils présentent la capacité la plus élevée aux taux de balayage inférieurs. c Histogramme avec le pourcentage d'augmentation de la capacité par rapport au nombre de couches. d Graphique de Ragone démontrant les performances globales des supercondensateurs à base de graphène

La capacité interfaciale, C _je , a été calculé à l'aide de la relation,

où A est la zone de matière active plongée dans l'électrolyte (Fig. 4b).

Le film de graphène tel que cultivé présente une capacité interfaciale C _je de 0,87 mF/cm ² à une fréquence de balayage de 10 mV/s. La capacité diminue avec l'augmentation de la vitesse de balayage pour toutes les électrodes. L'ajout de particules de MeO entraîne une augmentation de la capacité de l'électrode. Films de graphène pulvérisés avec WO₃ les particules présentent une capacité de 2,69 mF/cm ² à 10 mV/s de taux de balayage et ceux pulvérisés avec CeO₂ particules d'une capacité de 1,27 mF/cm ² à la même vitesse de balayage. L'augmentation du nombre de couches augmente légèrement la capacité des dispositifs. Plus précisément, les électrodes constituées d'une couche de Gr/CeO _x avoir une capacité de 1,27 mF/cm ² , qui augmente jusqu'à 4,55 mF/cm ² quand deux couches supplémentaires de Gr/CeO₂ sont ajoutés (+ 258%). Un comportement similaire, entraînant une augmentation de capacité plus faible, est observé pour le Gr/WO₃ électrodes. Leur capacité passe de 2,69 à 4,15 mF/cm ² quand deux couches supplémentaires de Gr/WO₃ sont ajoutés sur la première couche (+ 54%).

Une augmentation en pourcentage similaire est attendue lorsque davantage de couches de graphène/oxyde métallique sont ajoutées, car la surface augmentera proportionnellement tandis que la distance intercouche peut également permettre l'absorption d'ions multicouches. Sur la figure 4c, nous présentons un histogramme avec l'évolution en pourcentage de la capacité de l'électrode lorsque plusieurs couches sont ajoutées. Nous incluons également le pourcentage d'augmentation de la réf. 23 où un système similaire avec jusqu'à 10 couches est étudié. Nos résultats, compte tenu du Gr/WO₃ électrodes, révèlent un accord dans le pourcentage d'augmentation par rapport au Gr/MnO₂ structure hybride.

Pour démontrer les performances globales des supercondensateurs, nous illustrons un tracé de Ragone avec la densité d'énergie et la densité de puissance des différentes électrodes (Fig. 4d). On observe qu'avec l'augmentation du nombre de couches, la densité de puissance augmente, atteignant des valeurs de l'ordre de 1,6 × 10 ⁻⁴ W/cm ² dans le cas de trois couches de Gr/CeO _x électrodes, une valeur du même ordre de grandeur que celle des autres électrodes, avec une architecture similaire, combinant le graphène avec MnO₂ particules [23]. Bien que notre appareil ne présente pas une densité d'énergie comparable à celle de la publication ci-dessus, dans la présente étude, la densité de puissance a une valeur maximale de 4,5 × 10 ⁻⁸ L-h/cm ² , une valeur inférieure de deux ordres de grandeur aux valeurs données pour le cas de Gr/MnO₂ -à base d'électrodes.

Nous observons que la capacité de l'échantillon avec du graphène monocouche est beaucoup plus élevée, environ neuf fois, que celles mentionnées ailleurs [23]. Dans les travaux de Zang X. et al., la capacité de surface des électrodes de graphène monocouche est mesurée à 0,10 mF/cm ² , alors que dans notre travail, il est mesuré à 0,87 mF/cm ² . Dans notre travail, la couche de graphène a été déposée sur une feuille de cuivre, qui a été utilisée comme collecteur de courant, rendant inutile le transfert de graphène. Nous considérons que la formation d'oxydes de cuivre dans l'interface graphène/cuivre, résultant de l'oxydation du cuivre, affecte la capacité totale du système. De plus, nous savons que la présence de graphène favorise la croissance d'une couche d'oxyde de cuivre de quelques dixièmes de nanomètre, comme cela a été observé par nous et également rapporté par d'autres auteurs [28, 29]. Bien que le graphène soit considéré comme une barrière d'oxydation efficace pour Cu sur une échelle de temps courte (de quelques minutes à quelques heures), il semble favoriser sa corrosion galvanique à température ambiante sur une échelle de temps plus longue [28]. En délaminant le graphène de la surface du cuivre par un processus électrochimique, nous pouvons à nouveau observer le substrat de cuivre. Grâce à l'exploration SEM de la surface du cuivre, une formation plus élevée d'oxyde de cuivre a été observée uniquement dans les zones de la feuille recouvertes de graphène (pour plus de détails, voir le fichier supplémentaire 1 considérant le processus de délaminage électrochimique). La figure 5 montre les images SEM de la surface du cuivre avec des cristaux de graphène cultivés dessus (Fig. 5a) et après le délaminage du graphène (Fig. 5b). Les empreintes digitales brillantes qui reproduisent la forme des domaines du graphène sont très probablement de l'oxyde de cuivre (Cu₂ O) couches. Leur aspect « plus brillant » est le résultat de la rétrodiffusion des électrons sur l'oxyde de cuivre plus élevée que dans le cas du cuivre nu.

Caractérisation SEM. Légende détaillée :images SEM de a du graphène cultivé sur le catalyseur de cuivre avant le processus de délaminage et b Domaines Cu2O reproduisant les « empreintes digitales » du graphène à la suite de la formation d'oxyde de cuivre

Par conséquent, pour mieux interpréter nos résultats, nous devons considérer que chaque électrode est constituée de deux condensateurs, le film de graphène et le film d'oxyde de cuivre, en série, contribuant à la capacité totale, comme

où c _t est la capacité totale que nous mesurons, c _bœuf la capacité de l'oxyde de cuivre, et c _g la capacité quantique du graphène. Bien que, tel qu'il a été évalué par des observations expérimentales, le graphène présente une capacité négative lorsqu'il est décoré d'adatomes métalliques. Ces adatomes agissent comme des impuretés résonantes et forment des bandes d'impuretés résonantes presque sans dispersion près du point de neutralité de charge (CNP). Les impuretés résonantes éteignent l'énergie cinétique et conduisent les électrons vers le régime dominé par l'énergie de Coulomb avec une compressibilité négative. Si l'on considère une capacité quantique négative du graphène [30] avec une valeur de Ref. [23] (0,1 mF/cm ² ), nous pourrons calculer la capacité de l'oxyde de cuivre (11,1 mF/cm ² ) qui correspond à une épaisseur d'oxyde de cuivre de l'ordre du dixième de nanomètre [31], en accord avec l'observation expérimentale de Schriver et al. [28], compte tenu de la formation d'oxyde de cuivre.

Enfin, nous présentons des résultats tenant compte de la stabilité des performances de l'appareil. Toutes les électrodes présentent une rétention de capacité comprise entre 70 et 90 % pendant les 850 premiers cycles, comme on peut le voir sur la Fig. 6a. Selon les résultats de Liu et al. [32], la décroissance principale de la capacité au cours des premiers cycles peut être attribuée à la pulvérisation de l'oxyde métallique d'origine et des nanoparticules métalliques formées in situ pendant le processus d'insertion et d'extraction de Li, ce qui entraîne une perte de connectivité électrique entre les particules voisines, telles que comme nous l'avons observé dans les cas de monocouche Gr/WO₃ et trois couches Gr/CeO _x . Les électrodes constituées de Gr/CeO _x avoir une meilleure efficacité de charge/décharge pendant plus de cycles, comme le montre la figure 6b. Les performances de tous les appareils se situent entre 60 et 70 %.

Efficacité des électrodes. Légende détaillée :a Capacité de rétention des différentes électrodes et b efficacité de charge/décharge. c Cycle de charge-décharge d'une et trois couches de Gr/CeO _x . d Similaire pour le Gr/WO₃ hybride

Les courbes de charge/décharge galvanostatique révèlent que lorsque plus de couches d'oxyde métallique/graphène sont ajoutées, plus de temps est nécessaire pour le processus de charge et de décharge. Ceci est visualisé sur la Fig. 6c pour le Gr/CeO _x hybride et dans la Fig. 6d pour Gr/WO₃ hybride. Une couche Gr/CeO _x nécessite environ 1,7 s pour un cycle de charge/décharge lorsqu'il est chargé à 400 mA/cm ² . Lorsque deux autres couches ont été ajoutées sur la première, cette période est passée à ~ 4,7 s. Les mesures effectuées sur un graphène monocouche ont montré des temps de charge/décharge similaires à ceux du Gr/CeO monocouche _x électrodes. Des résultats similaires ont été obtenus dans le cas de WO₃ particules, où le temps de charge-décharge était de 1,9 s pour une couche et de 5,5 s pour trois couches. Cela démontre la densité de puissance plus élevée que le CeO _x hybride est performant. Les résultats électrochimiques de l'étude sont répertoriés dans le tableau 2.

Conclusions

Une évaluation couche par couche d'électrodes de graphène combinées à différents oxydes métalliques a été réalisée. Le dépôt de particules d'oxyde métallique sur le graphène augmente la capacité totale du matériau hybride, car les particules d'oxyde métallique contribuent avec une pseudocapacité supplémentaire. Une augmentation a également été observée lorsque plus de couches d'oxyde de Gr/métal ont été ajoutées sur la première couche. Les appareils dans lesquels Gr est combiné avec CeO _x ont une efficacité de charge/décharge légèrement supérieure à celles dans lesquelles Gr est combiné avec WO₃ . Compte tenu de la stabilité, tous les appareils conservent leurs performances initiales pendant plus de 800 cycles. La période de charge/décharge augmente d'environ 2,5 fois avec l'ajout de deux couches supplémentaires sur la première.