Esfoliação otimizada dependente do tempo de grafite para fabricação de pseudocompósito baseado em nanocompósito de grafeno / GO / GrO

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14218 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Dispositivos de alta capacitância (supercapacitores) fabricados a partir de materiais bidimensionais como o grafeno e seus compósitos vêm atraindo grande atenção da comunidade científica recentemente. A síntese de materiais 2D e seus compósitos com alta qualidade é desejável para a fabricação de supercapacitores baseados em materiais 2D. A Esfoliação em Fase Líquida Assistida por Ultrassom (UALPE) é uma das técnicas amplamente utilizadas para a síntese de grafeno. Neste artigo, relatamos o efeito da variação no tempo de sonicação na esfoliação do pó de grafite para extrair uma amostra com propriedades ideais adequadas para aplicações em supercapacitores. Três diferentes pós de grafite (doravante denominados amostra A, amostra B e amostra C) foram sonicados por 24 horas, 48 ​​horas e 72 horas a 60 °C. A esfoliação do pó de grafite em grafeno, GO e GrO foi estudada utilizando XRD e RAMAN. AFM e SEM foram posteriormente utilizados para examinar a estrutura em camadas do nanocompósito sintetizado. Espectroscopia UV-visível e voltametria cíclica foram utilizadas para medir os band gaps e o comportamento capacitivo das amostras. A amostra B exibiu uma capacitância específica notável de 534,53 F/g com capacidade específica de carga de 530,1 C/g a 1 A/ge densidade de energia de 66 kW/kg. A densidade de potência variou de 0,75 kWh/kg a 7,5 kWh/kg para uma variação na densidade de corrente de 1 a 10 A/g. A amostra B apresentou retenção capacitiva de 94%, menor impedância e maior grau de esfoliação e condutividade em comparação com as outras duas amostras.

Os dispositivos de armazenamento de energia sempre foram uma área de pesquisa florescente devido ao aumento contínuo da procura de energia. Foram realizados diferentes tipos de dispositivos de armazenamento de energia que armazenam energia química, eletroquímica, mecânica, cineticamente, magnética e térmica, etc. Por exemplo, células de combustível, baterias, volantes, bombas hidráulicas e superímãs, etc. os preços (medo do esgotamento) e o aumento da energia ecológica aumentaram a procura de dispositivos de armazenamento de energia. Dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica utilizam energia química em seu material ativo para gerar energia elétrica por meio de reações de redução de oxidação, de forma eficiente e econômica1. Esses dispositivos exibem alta densidade de energia ou alta densidade de potência, adequados para eletrônicos portáteis atuais e futuros. No entanto, hoje em dia, é desejável obter alta densidade de energia e densidade de potência com o mesmo material2. Os supercapacitores exibem alta capacitância específica e alta densidade de energia, tornando-os candidatos adequados para aplicações de armazenamento de energia.

Os materiais bidimensionais (materiais 2D) têm espessura em nanoescala e exibem propriedades eletrônicas e mecânicas superiores, como mobilidade eletrônica, condutividade e resistência mecânica. Numerosos materiais 2D são candidatos para aplicações de armazenamento de energia, como grafeno, dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs), carbonetos ou nitretos de metais de transição (MXenes) e nitreto de boro hexagonal (h-BN), etc. por exemplo, o grafeno é esfoliado mecanicamente do grafite. Na grafite, cada átomo de carbono está ligado covalentemente a três outros átomos de carbono e cada átomo de carbono é hibridizado sp3. Esses átomos de carbono estão dispostos em camadas hexagonais em favo de mel com fracas forças de Van der Waal entre as camadas. O grafeno pode ser esfoliado do grafite devido a esta fraca ligação entre camadas. O grafeno apresenta propriedades extraordinárias como flexibilidade, condutividade térmica imbatível e comportamento eletrônico. A monocamada de grafeno é um material com banda zero zero com uma folha de átomos de carbono hibridizados sp2. Devido ao seu bandgap zero, seu uso em dispositivos semicondutores é limitado.

O grafeno monocamada foi explorado teoricamente pela primeira vez por Wallace em 19473. Andre Geim e Kostya Novoselov usaram a técnica de clivagem micromecânica para extrair grafeno do grafite4. O método de clivagem micromecânica ou fita adesiva é uma abordagem de cima para baixo na qual o material a granel é usado e esfoliado em nanoescala. Fornece uma monocamada de grafeno, mas não é um processo escalável e é muito tedioso com impurezas anexadas à folha de grafeno. Diferentes técnicas bottom up são usadas para a fabricação de grafeno, como deposição química de vapor (CVD), deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD), esfoliação em fase líquida (LPE) e esfoliação em fase líquida assistida por ultrassom (UALPE). A deposição química de vapor (CVD) utilizada para deposição de grafeno em substratos metálicos e sua transferência em diferentes substratos como SiC é introduzida e otimizada . O tamanho máximo do único cristal cultivado em substrato dielétrico por CVD está na faixa de um mícron7. A deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) supera as desvantagens da DCV ao crescer o grafeno em temperatura mais baixa e em menos tempo, ao mesmo tempo que compromete a qualidade do tamanho do domínio . Filmes de grafeno 3D são cultivados em alumina anódica nanoporosa usando PECVD10. A esfoliação em fase líquida (LPE) é um método simples, barato e escalável para esfoliação de grafeno. Neste método não há restrição de temperatura e o grafeno é obtido na forma de suspensão e pode ser utilizado para fabricação de dispositivos eletrônicos. No entanto, alguns solventes podem exigir um grande tempo de sonicação para a esfoliação e a quantidade de grafeno na dispersão é muito baixa. Recentemente, nanoplacas de grafeno são esfoliadas a partir de grafite em um tempo de sonicação relativamente menor de 3 h, usando óxido de grafite como agente dispersante . O material semelhante ao grafeno é obtido por cisalhamento intermitente de pó de grafite comercial em água DI usando o surfactante Ultra Plus Konzentrat . O uso de agentes dispersantes simples é crucial para a comercialização da síntese de grafeno. Na Esfoliação Ultrassônica em Fase Líquida Assistida (UALPE), o pó é disperso em um solvente e ondas sonoras ultrassônicas são passadas através da dispersão para produzir dispersões de grafeno.