Abstract
Nanocarbon/polyaniline (PANI) composites were prepared by in situ polymerization of aniline on carbon blacks (CB), carbon nanotubes (CNTs) and graphene nanosheets (GNSs). The GNS/PANI composite has the highest PANI content with high specific capacitance, low internal resistance as well as improved cycling stability and rate capability. Of the three, the GNS/PANI composite shows better performance than CB/PANI and CNT/PANI. This can be attributed to the following three characteristics of GNSs as the PANI support: (a) the two-dimensional planar structure is beneficial to homogeneous nucleation of a large amount of PANI on their surface, giving more active sites for the redox reaction; (b) the planar contact between GNSs and PANI is good for constructing a conductive network with a high electron transfer rate and a low resistance and (c) the layer-by-layer stacks of crumpled GNSs and PANI layers prevent the peeling of PANI from the graphene surface. As a consequence the material can tolerate severe volume changes, swelling and shrinkage of PANI, during charge/discharge
چکیده
ترکیبات نانوکربن/پلیآنیلین (PANI) توسط پلیمریزاسیون درجا از آنیلین در دودههای کربن (CB)، نانولوله های کربنی (CNTs) و نانوصفحات گرافن (GNSS) تهیه شد. ترکیب GNS/PANI دارای بالاترین محتوای پلیآنیلین با ظرفیت خازنی ویژه بالا، مقاومت داخلی کم و همچنین بهبود پایداری چرخه ای و قابلیت سرعت است. از این سه، ترکیب نانوصفحات گرافن/پلیآنیلین عملکرد بهتری از دوده کربن/پلیآنیلین و نانولولههای کربن/پلیآنیلین نشان میدهد. این را میتوان به سه ویژگی زیر از نانوصفحات گرافن به عنوان پشتیبان پلیآنیلین نسبت داد: (الف) ساختار مسطح دو بعدی برای هسته زایی همگن مقدار زیادی از پلیآنیلین در سطح آنها سودمند است، که سایت های فعال زیادی برای واکنش های اکسیداسیون و کاهش میدهد؛ (ب) تماس مسطح بین نانوصفحات گرافن و پلیآنیلین برای ساخت یک شبکه رسانا با سرعت بالا در انتقال الکترون و مقاومت کم خوب است و (ج) پشتههای لایه به لایه نانوصفحات گرافن مچاله و لایه های پلیآنیلین از لایه برداری از سطح گرافن جلوگیری میکند. در نتیجه این مواد میتواند تغییرات حجم شدید، تورم و انقباض پلیآنیلین را در طول شارژ-دشارژ متحمل شود.
1-مقدمه
با نیاز بالای سیستم های ذخیره سازی انرژی برای وسایل الکترونیکی قابل حمل، پشتیبانی ذخیره سازی توان و کاربردهای وسایل نقلیه هیبریدی، ابرخازنها (نیز خازن های الکتروشیمیایی و یا فوق ابرخازنها نامیده میشود) توجه رو به افزایشی را بدلیل به چگالی بالای توان آنها و چرخه عمر طولانی در مقایسه با باتری های قابل شارژ و چگالی انرژی بالا در مقایسه با خازن های حالت جامد و الکترولیتی معمولی بدست آورده است [1-2]. دو مکانیسم اصلی ذخیره انرژی، ذخیره انرژی دوگانه الکتریکی (EDL) و شبه خازنی نامیده میشود [3]. شایع ترین مواد الکترود مورد استفاده برای خازن EDL مواد کربن، مانند کربن فعال، آئروژل های کربنی، نانولوله های کربنی (CNTs)، کربن مزوپور و کربن متخلخل سلسله مراتبی است، زیرا دارای سطح بزرگ و توزیع اندازه منافذ کنترل شده میباشند [4-5]. با این وجود، ریزساختار و سطح کمتر فعال همیشه آنها را از تشکیل EDL ممانعت میکند ]6-7[. همانطور که برای شبه خازنها، اکسیدهای فلزی، مانند اکسیدهای Ru [8]، Co [9] و Mn [10] و پلیمرهای رسانا، به عنوان مثال، پلیآنیلین (PANI) ]11[، پلی پیرول [12] و پلیتیوفن ]13[، توجه زیادی را برای واکنش های برگشت پذیر فارادی خود بر روی سطح خود جلب کرده است. در میان این مواد، پلیآنیلین مواد الکترود ویژه امیدوار کننده ای به دلیل هزینه پایین، سنتز آسان و ظرفیت خازنی نسبتا بالای میباشد [11]. متاسفانه، هدایت الکترونیکی کم آن و پایداری چرخه ای ضعیف مانع کاربرد گسترده ای در ابرخازنها میشود [7،12]. بنابراین، یک استراتژی مشترک برای طراحی مواد الکترود بهتر با انرژی بالا و تراکم قدرت برای ترکیب مزایای استفاده از مواد کربن با هدایت خوب الکترونیکی و پلیآنیلین با شبه خازنی بالا وجود دارد. به عنوان مثال، کربن متخلخل/ پلیآنیلین ]14،11-16[، نانولولههای کربنی/پلیآنیلین ]17-19[ و ترکیبات پلیآنیلین مبتنی بر گرافن [6،7،20-22] به منظور بهبود عملکرد الکتروشیمیایی پلیآنیلین کشف شده است...