Elektrokimyasal olarak birbirine bağlanmış Cu:NİO@rGO:PANI/NF elektrotlara dayalı simetrik süperkapasitör cihazların üretilmesi ve enerji depolama performanslarının belirlenmesi

Abstract

Bakır katkılı nikel oksit ve indirgenmiş grafen oksit katkılı polianilinden oluşan bir nanokompozit elektrot sentezlemek için üç-elektrotlu bir elektrodepozisyon hücresi kullanılmıştır. XRD, FTIR ve XPS gibi karakterizasyon teknikleri, moleküler bağların oluşumunu ve sentezlenen bileşiklerin fazlarını doğrulamak için kullanılmıştır. Enerji dağılımlı X-ışınları spektroskopisi (EDS) analizi, rGO:PANI/NF elektrodunun %0,29 azot (N), %17,39 karbon (C) ve %9,81 oksijen (O) içerdiğini, Cu:NiO@rGO:PANI/NF elektrodunun ise %8,24 bakır (Cu), %9,22 karbon (C), %7,21 oksijen (O) ve %0,72 azot (N) içerdiğini göstermiştir. Hem rGO:PANI/NF hem de Cu:NiO@rGO:PANI/NF elektrotlarının elektrokimyasal özellikleri, 3 M KOH sulu elektrolit kullanılarak üçelektrotlu bir hücre konfigürasyonunda değerlendirilmiştir. rGO:PANI/NF ve Cu:NiO@rGO:PANI/NF elektrotları için 20 Ag-1 akım yoğunluğunda sırasıyla 644,5 ve 807,1 Fg-1 ’lik önemli spesifik kapasitans değerleri elde edilmiştir. Cu:NiO@rGO:PANI/NF elektrodu (RCT = 0,9 Ω), rGO:PANI/NF elektrodundan (RCT = 3,8 Ω) önemli ölçüde daha düşük bir yük transfer direnci sergilemiştir, bu da NiO’in rGO ve PANI arasındaki yük transferini artırmada önemli bir rol oynadığını göstermektedir. Ayrıca, Cu:NiO@rGO:PANI/NF’un artan BET yüzey alanı, NiO ile birlikte iyi bağlanmış PANI zincirleri ağının bir sonucudur. Daha ileri uygulamaları keşfetmek için, Cu:NiO@rGO:PANI/NF elektrotları kullanılarak tamamen katıhal simetrik süperkapasitör (SSC) cihazı üretilmiştir. Bu cihaz 0 ila 1,5 V voltaj aralığında çalışmaktadır, 4,5 Ag-1 ’de 81,9 Fg-1 kapasitans göstermektedir ve 10000 şarj-deşarj döngüsünden sonra 10 Ag-1 ’lik belirli bir akımda %97,6 kapasitans tutma özelliğine sahiptir. Simetrik süperkapasitör, 4,5 A g-1 ’de 1297,6 W kg-1 güç yoğunluğunda 25,6 Wh kg-1 maksimum enerji yoğunluğuna ulaşmıştır. Bu bulgular göz önüne alındığında, nanokompozit bazlı katıhal süperkapasitör, yüksek performanslı simetrik süperkapasitörler oluşturmak için umut verici bir seçenek sunmaktadır.

A three-step electrodeposition cell was utilized to synthesize a nanocomposite electrode consisting of copper-doped nickel oxide and reduced graphene oxide-doped polyaniline. Characterization techniques such as XRD, FTIR, and XPS were conducted to confirm the formation of molecular bonds and the phases of the synthesized materials. Energy dispersive X-rays spectroscopy (EDS) analysis revealed that the rGO:PANI/NF electrode comprises 0.29% nitrogen (N), 17.39% carbon (C), and 9.81% oxygen (O), whereas the Cu:NiO@rGO:PANI/NF electrode contains 8.24% copper (Cu), 9.22% carbon (C), 7.21% oxygen (O), and 0.72% nitrogen (N). The electrochemical properties of both rGO:PANI/NF and Cu:NiO@rGO:PANI/NF electrodes were evaluated in a three-electrode cell configuration using a 3 M KOH aqueous electrolyte. Remarkable specific capacitances of 644.5 and 807.1 Fg−1 were achieved at a current density of 20 Ag−1 for the rGO:PANI/NF and Cu:NiO@rGO:PANI/NF electrodes, respectively. The Cu:NiO@rGO:PANI/NF electrode exhibited a significantly lower charge transfer resistance (RCT = 0.9 Ω) than the rGO:PANI/NF electrode (RCT = 3.8 Ω), indicating that NiO plays a significant role in enhancing charge transport between rGO and PANI. Additionally, the increased BET surface area of Cu:NiO@rGO:PANI/NF is a result of a well-connected network of PANI chains alongside NiO. To explore further applications, an all-solid-state symmetrical supercapacitor (SSC) was constructed using the Cu:NiO@rGO:PANI/NF electrodes. This device operates within a voltage range of 0 to 1.5 V, demonstrating a capacitance of 81.9 Fg−1 at 4.5 Ag−1 , with a capacitance retention of 97.6% at a specific current of 10 Ag−1 after 10000 charge-discharge cycles. The symmetrical supercapacitor achieved a maximum energy density of 25.6 Wh kg−1 at a power density of 1297.6 W kg−1 at 4.5 Ag −1 . Considering these findings, the nanocomposite-based solid-state supercapacitor presents a promising option for creating high-performance symmetric supercapacitors.