슈퍼커패시터 애플리케이션용 전극으로서의 그래핀/WO3 및 그래핀/CeOx 구조의 평가

초록

그래핀과 전이 금속 산화물의 조합은 매우 조정 가능한 표면적, 뛰어난 전기 전도성, 우수한 화학적 안정성 및 우수한 기계적 거동과 같은 흥미로운 특성 덕분에 에너지 저장 응용 분야에 사용하기 위한 매우 유망한 하이브리드 재료를 생성할 수 있습니다. 현재 작업에서는 그래핀/금속 산화물의 성능을 평가합니다(WO₃ 그리고 CEO_x ) 슈퍼커패시터 응용 분야에서 잠재적인 전극으로서의 계층 구조. 그래핀 층은 구리 기판 위에 화학 기상 증착(CVD)에 의해 성장되었습니다. 그래핀 전달 기술과 마그네트론 스퍼터링에 의해 성장된 금속 산화물을 결합하여 단일 및 층별 그래핀 스택을 제작했습니다. 시료의 전기화학적 특성을 분석한 결과 그래핀 층의 수가 증가할수록 소자의 성능이 향상됨을 알 수 있다. 또한 그래핀 층 스택 내에 전이 금속 산화물을 증착하면 장치의 면적 정전용량이 최대 4.55mF/cm² 까지 향상됩니다. , 3층 스택의 경우. 이러한 높은 값은 구리 기판과 그래핀 층 사이에 구리 산화물이 성장한 결과로 해석된다. 전극은 열화되기 전의 처음 850 주기 동안 우수한 안정성을 나타냅니다.

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배경

최근 슈퍼커패시터와 같은 전기화학적 에너지 저장장치는 휴대폰, 노트북과 같은 휴대용 전자기기부터 하이브리드 전기자동차에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 전원 공급 장치로 가장 널리 보급되고 있다[1]. 슈퍼커패시터는 기존 배터리와 비교할 때 더 높은 전력 밀도와 우수한 사이클 수명을 나타낼 수 있습니다. 동시에 낮은 에너지 밀도를 나타냅니다[2].

이는 두 장치 간의 에너지 저장 메커니즘이 다르기 때문입니다. 이온이 전극 물질에 화학적 결합을 통해 저장되는 배터리와 달리 슈퍼커패시터에서는 에너지의 정전기 저장이 헬름홀츠 이중층에서 전하 분리를 통해 발생합니다[3]. 또한 슈퍼커패시터는 전기화학적 에너지 저장에 기여하는 표면 산화환원 반응을 통해 의사커패시턴스를 나타냅니다. 여기서 저장 메커니즘은 전하 이동을 통한 패러데이 산화 환원 반응을 기반으로 합니다. 패러딕 산화환원 반응과 관련된 에너지 밀도가 이중층 커패시턴스로 인한 에너지 밀도보다 10배 더 높기 때문에 다양한 금속 산화물 재료가 이러한 목적으로 조사됩니다.

따라서 슈퍼커패시터는 에너지 저장 애플리케이션에서 배터리를 대체하거나 보완할 가능성이 있는 것으로 간주됩니다. 이 방향의 연구는 우수한 특성을 나타낼 수 있는 새로운 전극의 개발에 중점을 둡니다. 리튬 이온 배터리와 유사하게 탄소 기반 재료는 환경 영향이 낮고 화학적 안정성이 높으며 전도성이 높으며 비용이 저렴하기 때문에 선호됩니다[4].

모든 sp² 로 구성된 새로운 나노물질인 그래핀 -혼성화된 탄소 원자는 이러한 종류의 응용 분야에서 전극으로 사용하기에 매우 매력적인 몇 가지 매우 흥미로운 특성을 가지고 있습니다. 경량, 높은 전기 및 열 전도성, 고도로 조정 가능한 표면적(최대 2675m² /g), 강한 기계적 강도(~ 1 TPa) 및 화학적 안정성[5,6,7]. 단층 그래핀은 약 21μF/cm² 의 이론적 비정전용량을 나타냅니다. 전체 표면적이 완전히 활용될 때 약 550F/g의 해당 비정전용량. 현재 13Wh kg^-1 정도의 높은 에너지 밀도와 전력 밀도를 전달할 수 있는 그래핀 나노벽 및 나노폼과 같은 3차원 그래핀 소재에 많은 관심을 기울이고 있습니다. 및 8kW kg⁻¹ , 각각 [8]. 그러나 이러한 물질은 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해 보다 복잡한 플라즈마 강화 성장 기술이 필요하므로 균질성 제어가 어렵습니다[9].

또한, 평면 그래핀 필름은 집전체 역할을 하는 그래핀/구리 인터페이스[10]에서 공유 결합과 이온 결합의 혼합물로 인해 균질한 성장과 금속 기판에 대한 우수한 결합의 이점을 제공합니다. 그러나 평면형 단층 그래핀 필름은 상대적으로 작은 표면적을 가지고 있어 많은 양의 에너지 저장을 촉진하지 않습니다. 이를 극복하기 위한 대중적인 접근 방식은 그래핀을 에너지를 저장할 수 있는 다른 물질과 결합하는 것입니다.

고효율 전극의 설계 및 최적화에 대한 최근의 발전은 그래핀과 산화 그래핀 필름을 서로 다른 금속 및 금속 산화물 복합체와 결합하는 것을 촉진했습니다[11,12,13,14,15,16,17,18,19]. 하이브리드 슈퍼커패시터를 만들기 위한 금속 산화물 나노입자. 이러한 금속 산화물 구조는 큰 표면적 전극에서 발생하는 패러딕 산화환원 반응으로 인해 높은 의사 정전용량을 제공하여 총 정전용량에 기여합니다.

이 설계에서 그래핀은 저장 용량과 별개로 금속 나노입자와 집전체 사이에 강한 결합과 우수한 전기 접촉을 허용하는 플랫폼으로 기여합니다. 이전 연구는 집전체와 탄소 나노튜브 사이의 커플러로서 그래핀의 유익한 역할을 밝혀냈습니다[20].

다른 연구 작업에서 단일층 그래핀 전극은 Fe₂와 같은 다른 화합물과 결합할 때 최대 135F/g의 특정 이중층 정전용량을 나타내는 것으로 측정되었습니다. O₃ 및 MnO₂ , 최대 380F/g의 커패시턴스를 보여줍니다[21, 22].

현재 연구에서, 우리는 그래핀 전달 및 마그네트론 스퍼터링 기술을 결합하여 그래핀/금속 산화물 나노복합체의 단일 층 또는 3개의 적층된 층으로 만든 그래핀/금속 산화물 나노복합체를 제조했습니다. 각 그래핀 층 위에 WO₃의 서로 다른 금속 산화물 입자 그리고 CEO_x 스퍼터링되었습니다.

산화세륨은 CeO_{x로 언급됩니다.} 성장한 입자를 특성화하지 않았기 때문에 전체 원고에서. 스퍼터링 공정은 CeO₂로 수행되었지만 타겟의 경우 형성된 입자는 스퍼터링 공정 중 산소 손실 가능성 때문에 아산화된 것처럼 보이지만 주로 CeO₂에 의해 형성됩니다. , 가장 안정적인 형태의 산화세륨입니다. 단층 그래핀에 비해 그래핀 필름 스택은 전극/전해질 계면이 더 많아 전해질 이온의 흡수/탈착에 유리하고 충전 및 방전 과정에서 전해질 이온에 대한 더 많은 전기 경로를 제공합니다. 금속 산화물 입자의 증착은 상대적으로 낮은 질량 부하에서 초박막 층의 비정전용량을 향상시킵니다[23]. 이전 작품에서 CEO_x 입자는 119mF/cm² 정도의 높은 정전용량을 나타냈습니다. , 니켈 폼과 결합할 때 [24]. WO₃ 고려 최근 연구에서는 WO₃로 만든 전극을 보고했습니다. 266F/g의 커패시턴스를 나타내는 막대[25]. 두 나노복합체 모두 양호한 전기화학적 산화환원 특성과 이온 반응성을 보여주었다. 우리는 화학 기상 증착(CVD) 성장 그래핀 필름과의 조합을 보고하는 최근 연구를 찾지 못했기 때문에 위의 금속 산화물을 선택했습니다. 따라서 우리는 이러한 하이브리드 복합 재료가 서로 결합하는 방법과 결과 전극의 정전 용량 특성을 연구합니다.

두 가지 하이브리드 재료를 준비할 때 동일한 실험 조건을 사용하면 전극의 전기화학적 성능을 직접 비교할 수 있습니다.

결과를 더 잘 해석하기 위해 전극의 전체 커패시턴스에서 기본 산화 구리층의 기여도를 고려합니다.

실험

하이브리드 전극 준비

연속 그래핀 필름은 이전 연구[26]에서 설명한 성장 레시피에 따라 CVD에 의해 성장되었습니다. 성장 과정을 간략하게 보고합니다. 다결정 구리 호일(두께 75μm, 순도 99%)을 ~ ~1.0cm² 로 절단했습니다. 불순물을 제거하기 위해 이소프로판올과 아세톤의 초음파 수조에서 각각 10분씩 세척하고 챔버에 로드합니다. 먼저, 구리 표면에서 천연 구리 산화물을 제거하기 위해 수소 플라즈마 에칭을 적용합니다. 무선 주파수(RF) 플라즈마는 20sccm 수소 흐름 아래에서 20Pa 압력에서 100W를 적용하여 생성됩니다. 플라즈마 에칭은 10분 동안 지속됩니다. 그런 다음 샘플은 오븐으로 둘러싸인 석영 튜브(플라즈마 챔버에 결합됨)로 전달됩니다. 오븐은 1040°C로 가열되고 가스가 튜브에 도입됩니다. 메탄과 수소의 혼합물(메탄/수소의 5/20 sccm)을 15Pa에서 20분 동안 도입하여 단일층 그래핀으로 구리 호일을 완전히 덮습니다. 그런 다음 샘플을 고진공(3 × 10⁻⁴ )에서 실온으로 냉각시킵니다. Pa) 챔버에서 제거되기 전에. 그런 다음 샘플을 다른 반응기에 넣어 금속 산화물 입자를 증착합니다. 금속 산화물 입자는 펄스 반응성 마그네트론 스퍼터링(1Pa, Ar/O₂의 13/7 sccm/sccm)에 의해 그래핀 층에 증착되었습니다. 흐름, 60W, 증착 시간 5초, 타겟-기판 거리 10cm), 매번 해당 타겟(W 또는 Ce)을 사용합니다. 그래핀/금속 산화물 나노복합체의 3층 적층을 준비하기 위해 우리는 고분자 코팅 지지체와 함께 그래핀 전달 방법을 사용했습니다[26]. 그래핀 위에 PMMA(Polymethyl-methacrylate)를 스핀 코팅한 다음 시료를 FeCl₃에 담그십시오. 구리를 에칭합니다. 나머지 그래핀/금속 산화물 층은 적층된 물질의 제조를 가능하게 하는 동일한 나노복합체의 다른 층 위로 옮겨졌다. 전사 후 아세톤으로 헹구어 PMMA를 제거하였다. 합성물의 준비 과정은 그림 1a의 개략도에 나와 있습니다.

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개략도. 자세한 범례:a 그래핀/MeO 적층의 준비 과정을 보여주는 개략도. ㄴ 세포 설계 계획. 분리기(유리 섬유 필터)는 1:1 부피 비율로 혼합된 에틸렌 카보네이트(EC)와 디에틸 카보네이트(DEC)에 용해된 1M LiClO4로 적셔집니다.

구조적/형태적 특성화

샘플은 라만 분광법(Jobin-Yvon LabRam HR 800), 주사 전자 현미경(SEM)(JEOL JSM7100F) 및 투과 전자 현미경(TEM)(Bioscan Gatan JEOL 1010)으로 특성화되었습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 측정은 단색 X선 소스(Al K_α 1486.6eV 에너지 및 350W 라인). XPS에 의한 화학 조성의 깊이 프로파일 측정은 Ar⁺ 으로 표면을 스퍼터링하여 얻었습니다. 이온 소스(4keV 에너지). 이러한 모든 측정은 7 × 10⁻⁷ 사이의 초고진공(UHV) 조건에서 이루어졌습니다. 및 3 × 10⁻⁶ 파.

전기화학적 특성

샘플의 전기화학적 특성은 Swagelok 셀 및 유기(1 M LiClO₄ 1:1 부피 비율로 혼합된 에틸렌 카보네이트(EC) 및 디에틸-카보네이트(DEC) 전해질에 용해됨. 유리 섬유 필터는 분리기 역할을 했습니다(Whatman glassy-fiber GF/A). 그림 1b는 전기화학적 특성 측정에 사용된 사용 중인 전지(각 전극에 그래핀/금속 산화물 입자의 한 층이 있음)의 개략도를 보여줍니다. 셀은 엠브라운 Unilab 건조 N₂에서 제작되었습니다. 글러브 박스(<1 ppm O₂ 및 <1 ppm H₂ O) 2개의 그래핀/MeO 전극 사이에 유기 전해질-침지 분리기를 샌드위치함으로써. 장치의 슈퍼커패시턴스 동작을 연구하기 위해 먼저 서로 다른 스캔 속도와 1.8V의 전압 창에서 순환 전압전류법(CV) 측정을 수행했습니다.

결과 및 토론

하이브리드 구조

MeO 나노 입자의 짧은 스퍼터링 증착은 그래핀 층의 손상을 방지하는 것을 목표로 합니다. 스퍼터링이 아르곤/산소 플라즈마에서 수행되기 때문에 더 긴 스퍼터링 기간은 그래핀의 손상을 초래할 수 있습니다. 그림 2a, b는 그래핀 층에 증착된 텅스텐 산화물 입자의 TEM 이미지를 보여줍니다. 그림 2a는 이미지의 왼쪽 상단에 균일하게 분포된 입자로 장식된 그래핀 필름의 가장자리를 보여줍니다. 더 큰 입자의 직경은 25nm입니다. 그림 2b는 일부 더 큰 텅스텐 산화물 입자의 고해상도 TEM 이미지를 제공합니다. 입자의 d-간격은 WO₃의 표준 정방정계(101)에 해당하는 SAED(Selected Area Electron Diffraction) 패턴(삽도 그림 2b)에 의해 확인된 바와 같이 0.31nm로 측정됩니다. . SEM 이미지는 그래핀 필름의 연속성에 대한 정보를 제공합니다(그림 2c). 우리는 모든 영역이 단층 그래핀으로 덮여 있음을 관찰합니다. 일부 가시적 입자 경계(파란색 사각형에 포함됨)에도 불구하고 대부분의 그래핀 입자는 유착 단계에 도달하여 연속적인 층을 형성합니다. 더 어두운 대비를 가진 일부 영역(정사각형에 포함됨)은 두 번째 그래핀 층의 핵 생성의 결과이지만, 이 영역은 이미지에서 관찰할 수 있듯이 전체 영역의 매우 작은 비율입니다. 라만 스펙트럼(그림 2d)이 제공하는 정보를 평가하여 I _2D /나 _G 강도 비율(~ 2.47) 및 2D 피크 FWHM(~ 40cm⁻¹ ) 그래핀이 단일 층임을 확인합니다. 스펙트럼은 그래핀 필름을 SiO₂ 동박 발광으로 인해 발생하는 노이즈를 제거하기 위해 기판 [27].

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형태 및 구조적 특성화. 자세한 범례:a Gr/WO3 필름 구조와 라만 스펙트럼의 TEM 이미지. ㄴ Gr/WO3의 HRTEM 이미지와 WO3의 표준 정방정계(101)에 해당하는 텅스텐 산화물의 회절 패턴. ㄷ 성장한 연속 그래핀 필름의 SEM 이미지. d SiO2로 전사한 후 성장한 그래핀 필름의 라만 스펙트럼

XPS는 플라즈마 어닐링 및 그래핀 성장 후 구리 산화물 형성을 고려한 정보를 제공했습니다. 그래핀의 존재가 구리 산화물 층의 형성에 유리하다는 것을 보여주기 위해 상부에 그래핀이 성장한 경우와 그렇지 않은 경우의 구리 기판에 대해 측정을 수행했습니다. 천연 구리 산화물 층은 그래핀이 있거나 없는 모든 샘플에서 플라즈마 어닐링에 의해 감소되었습니다("실험" 섹션 참조). 우리는 표면의 산세를 수행하여 구성의 변화를 관찰합니다. 그림 3a, b는 기판 위에 그래핀이 성장한 기판과 그래핀이 성장하지 않은 기판의 다결정 구리 표면의 O1s 스펙트럼을 각각 보여줍니다. 두 샘플 모두 XPS 측정 20일 전에 천연 구리 산화물을 제거하기 위해 어닐링되었습니다. 각 그림의 다른 스펙트럼은 샘플 어닐링 프로세스 직후에 수행된 측정에 해당합니다. ("실험" 섹션 참조).

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XPS 특성화. 자세한 범례:다양한 연속 어닐링 공정 a 후에 측정된 다결정 구리 표면에 대한 O1s 스펙트럼이 있는 XPS 곡선 위에 성장한 그래핀과 b 위에 성장한 그래핀 없이

구리의 산소량에 대한 정보를 얻기 위해 피크의 강도를 비교합니다. 우리는 첫 번째 측정(검은 선)과 관련하여 피크 사이의 강도 비율을 연구합니다. 각 산세척 공정 후에 우리는 가장 깊이 있는 화학 성분에 대한 정보를 얻습니다. 처음 두 스펙트럼(검정색 및 빨간색 선)은 강도가 동일합니다. 나머지 스펙트럼은 강도가 더 낮습니다. 나 정의 _n /나 ₁ 비율, 나 _n 는 n의 피크 강도입니다. 스펙트럼 및 나 ₁ 그림 3, I에서 표면 측정으로 얻은 첫 번째 스펙트럼의 피크 강도 _n /나 ₁ n이 증가함에 따라 O1 비율이 감소합니다. . 동일한 n에 대해 , 비율은 그래핀이 있는 샘플에서 더 높아서 더 높은 산소 농도를 나타내므로(추가 정보는 표 1 참조) 따라서 더 두꺼운 구리 산화물 층이 나타납니다. 각 산세척 공정 후에 제거되는 층의 두께에 대한 정보가 없다는 점을 강조해야 합니다. 보정은 SiO₂에서 수행됩니다. 각 산세척 후 ~ 5nm 제거가 발생합니다. 위의 XPS 분석 덕분에 우리는 산소가 구리 호일, 노출된 구리 및 그래핀 층 아래에 항상 존재한다는 결론을 내렸습니다. 또한, 우리는 그래핀이 상부에 성장될 때 구리의 깊이 산화 증가에 대한 정보를 얻습니다. 구리 산화물은 전극의 전체 커패시턴스에 대한 커패시턴스에 기여합니다.

전기화학 결과

그림 4a에서 그래핀/CeO_{x 세 층의 CV 측정값을 제시합니다.} . 특정 커패시턴스, C _s , 방정식에 의해 계산되었습니다.

$$ {C}_{\mathrm{s}}=\frac{q_{\mathrm{a}}+\mid {q}_{\mathrm{c}}\mid }{2m\Delta V} $$

여기서 C _s 그램당 패럿의 특정 정전용량, m 활성 물질의 질량(g), ΔV 는 전압 창(볼트), q _아 및 q _ㄷ 각각 쿨롱 단위의 양극 및 음극 전하입니다.

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전기화학적 특성화. 자세한 범례:a 3개의 그래핀/CeO₂ 층이 있는 전극으로 구성된 전지의 CV 측정 서로 다른 스캔 속도에서 각각의 입자. ㄴ 다른 스캔 속도에서 다른 하이브리드 전극의 계면 커패시턴스. 모든 장치는 더 낮은 스캔 속도에서 더 높은 커패시턴스를 나타냅니다. ㄷ 레이어 수에 대한 커패시턴스의 백분율 증가를 나타내는 히스토그램. d 그래핀 기반 슈퍼커패시터의 전체 성능을 보여주는 Ragone 플롯

계면 커패시턴스, C _나 , 관계식을 사용하여 계산되었습니다.

$$ {C}_{\mathrm{i}}=\frac{C_{\mathrm{s}}}{A} $$

여기서 A 는 전해질에 담근 활물질의 면적입니다(그림 4b).

성장한 그래핀 필름은 계면 커패시턴스 C를 나타냅니다. _나 0.87mF/cm² 10mV/s 스캔 속도로 커패시턴스는 모든 전극의 스캔 속도가 증가함에 따라 감소합니다. MeO 입자의 추가는 전극 커패시턴스를 증가시킵니다. WO₃로 스퍼터링된 그래핀 필름 입자는 2.69mF/cm² 의 정전용량을 나타냅니다. 10mV/s의 스캔 속도 및 CeO₂로 스퍼터링된 속도 1.27mF/cm² 정전용량 입자 동일한 스캔 속도로 레이어 수가 증가하면 디바이스의 커패시턴스가 약간 증가합니다. 구체적으로, Gr/CeO_{x의 한 층으로 구성된 전극} 정전용량이 1.27mF/cm² 입니다. , 최대 4.55mF/cm² 증가 Gr/CeO₂의 레이어가 두 개 더 있을 때 추가됩니다(+ 258%). Gr/WO₃에서 정전용량 증가가 더 작기는 하지만 유사한 동작이 관찰됩니다. 전극. 용량이 2.69에서 4.15mF/cm로 증가² Gr/WO₃의 레이어가 두 개 더 있을 때 첫 번째 레이어 위에 추가됩니다(+ 54%).

더 많은 그래핀/금속 산화물 층이 추가되면 표면적이 비례적으로 증가하는 반면 층간 거리가 다층 이온 흡수를 허용할 수 있기 때문에 유사한 비율 증가가 예상됩니다. 그림 4c에서 더 많은 층이 추가될 때 전극 용량의 백분율 변화가 있는 히스토그램을 제시합니다. 우리는 또한 Ref. 최대 10개의 레이어가 있는 유사한 시스템이 연구되는 23입니다. Gr/WO₃를 고려한 결과 전극, Gr/MnO₂에 대한 백분율 증가의 일치를 나타냅니다. 하이브리드 구조.

슈퍼커패시터의 전체 성능을 보여주기 위해 다양한 전극의 에너지 밀도와 전력 밀도를 사용하여 Ragon 플롯을 보여줍니다(그림 4d). 레이어 수가 증가함에 따라 전력 밀도가 증가하여 1.6 × 10⁻⁴ 정도의 값에 도달하는 것을 관찰했습니다. W/cm² 세 개의 Gr/CeO_{x 레이어의 경우} MnO와 그래핀을 결합한 유사한 구조의 다른 전극과 동일한 크기의 전극 전극₂ 입자 [23]. 우리 장치는 위의 간행물과 비교할 만한 에너지 밀도를 나타내지 않지만, 본 연구에서 전력 밀도는 최대값이 4.5 × 10⁻⁸ 입니다. W-h/cm² , Gr/MnO₂의 경우에 주어진 값보다 100배 낮은 값 기반 전극.

우리는 단층 그래핀을 가진 샘플의 커패시턴스가 다른 곳에서 언급된 것보다 약 9배 더 높다는 것을 관찰했습니다[23]. Zang X. et al.의 연구에서 단일층 그래핀 전극의 표면 정전용량은 0.10mF/cm² 로 측정되었습니다. , 우리 작업에서는 0.87mF/cm² 로 측정됩니다. . 우리 연구에서 그래핀 층은 집전체로 사용되는 구리 호일에 증착되어 그래핀의 전사가 불필요했습니다. 우리는 구리 산화로 인해 그래핀/구리 계면에서 구리 산화물의 형성이 시스템의 총 정전용량에 영향을 미친다고 생각합니다. 또한, 우리는 그래핀의 존재가 수십 나노미터의 구리 산화물 층의 성장을 촉진한다는 것을 알고 있습니다. 그래핀은 단기간(분에서 몇 시간) 동안 Cu에 대한 효율적인 산화 장벽으로 간주되지만 장기간에 걸쳐 주변 온도에서 그래핀의 갈바닉 부식을 촉진하는 것으로 보입니다[28]. 전기화학적 공정을 통해 구리 표면에서 그래핀을 박리함으로써 우리는 구리 기판을 관찰하기 위해 돌아갈 수 있습니다. 구리 표면의 SEM 탐사를 통해, 그래핀으로 덮인 호일 영역에서 더 높은 구리 산화물 형성이 관찰되었습니다(자세한 내용은 전기화학적 박리 공정을 고려한 추가 파일 1 참조). 그림 5는 그래핀 결정이 성장한 구리 표면(그림 5a)과 그래핀 박리 후(그림 5b) 구리 표면의 SEM 이미지를 보여줍니다. 그래핀 도메인의 모양을 재현하는 밝은 지문은 아마도 구리 산화물(Cu₂ 오) 레이어. "더 밝은" 모양은 노출된 구리의 경우보다 산화 구리에서 전자의 후방 산란이 더 높기 때문입니다.

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SEM 특성화. 자세한 범례:a의 SEM 이미지 박리 공정 전에 구리 촉매 위에 성장한 그래핀의 b 구리 산화물 형성의 결과로 그래핀 "지문"을 재생하는 Cu2O 도메인

따라서 우리의 결과를 더 잘 해석하려면 각 전극이 2개의 커패시터, 즉 그래핀 필름과 구리 산화물 필름이 직렬로 구성되어 다음과 같이 총 커패시턴스에 기여한다는 점을 고려해야 합니다.

$$ \frac{1}{c_{\mathrm{t}}}=\frac{1}{c_{\mathrm{ox}}}+\frac{1}{c_{\mathrm{g}}} $ $

여기서 c _t 우리가 측정하는 총 정전 용량, c _소 구리 산화물의 커패시턴스 및 c _g 그래핀 양자 커패시턴스. 실험적 관찰에 의해 평가된 바와 같이 그래핀은 금속 원자로 장식될 때 음의 정전용량을 나타냅니다. 이러한 원자는 공진 불순물로 작용하고 전하 중성점(CNP) 근처에서 거의 분산되지 않는 공진 불순물 밴드를 형성합니다. 공진 불순물은 운동 에너지를 소멸시키고 음의 압축성을 갖는 쿨롱 에너지가 지배하는 영역으로 전자를 구동합니다. 그래핀[30]의 음의 양자 커패시턴스를 고려하면 Ref. [23] (0.1mF/cm² ), 산화구리 커패시턴스를 계산할 수 있습니다(11.1mF/cm² ) Schriver et al. [28], 산화구리의 형성을 고려합니다.

마지막으로 디바이스 성능의 안정성을 고려한 결과를 제시한다. 모든 전극은 그림 6a에서 볼 수 있듯이 처음 850회 주기 동안 70~90%의 정전용량 유지율을 나타냅니다. Liu et al.의 결과에 따르면 [32], 첫 번째 주기 동안 정전용량의 주요 감쇠는 원래 금속 산화물의 분쇄와 Li 삽입 및 추출 과정에서 제자리에서 형성된 금속 나노입자의 분쇄에 기인할 수 있으며, 이는 인접 입자 사이의 전기적 연결 손실을 초래합니다. 단층 Gr/WO₃의 경우에서 관찰한 바와 같이 및 3층 Gr/CeO_x . Gr/CeO_{x로 구성된 전극} 그림 6b와 같이 더 많은 주기 동안 더 나은 충전/방전 효율을 갖습니다. 모든 장치의 성능은 60~70%입니다.

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전극 효율. 자세한 범례:a 다른 전극 및 b의 정전 용량 유지 충전/방전 효율. ㄷ Gr/CeO_{x 1층 및 3층 충방전 주기} . d Gr/WO₃와 유사 하이브리드

정전류 충전/방전 곡선은 더 많은 금속 산화물/그래핀 층이 추가될 때 충전 및 방전 프로세스에 더 많은 시간이 필요함을 보여줍니다. 이것은 Gr/CeO_{x에 대해 그림 6c에 시각화되어 있습니다.} 하이브리드 및 그림 6d(Gr/WO₃) 잡종. 단층 Gr/CeO_x 400mA/cm² 충전 시 충전/방전 주기에 약 1.7초 필요 . 첫 번째 레이어 위에 두 개의 레이어가 더 추가되었을 때 이 기간은 ~ 4.7초로 늘어났습니다. 단일층 그래핀에서 수행된 측정은 단일층 Gr/CeO_{x의 경우와 유사한 충방전 시간을 나타냈습니다.} 전극. WO₃의 경우에도 유사한 결과가 얻어졌습니다. 여기서 충방전 시간은 1층의 경우 1.9초, 3층의 경우 5.5초였습니다. 이것은 CeO_{x보다 더 높은 전력 밀도를 보여줍니다.} 하이브리드를 실행하고 있습니다. 연구의 전기화학적 결과는 표 2에 나열되어 있습니다.

결론

다른 금속 산화물과 결합된 그래핀 전극의 층별 평가가 수행되었습니다. 그래핀 위에 금속 산화물 입자의 증착은 금속 산화물 입자가 추가적인 유사 정전용량에 기여하기 때문에 하이브리드 재료의 총 정전용량을 증가시킵니다. 더 많은 Gr/금속 산화물 층이 첫 번째 층 위에 추가될 때 증가가 관찰되었습니다. Gr이 CeO_{x와 결합된 장치} Gr이 WO₃와 결합된 것보다 약간 더 높은 충방전 효율을 가집니다. . 안정성을 고려하여 모든 장치는 800주기 이상 초기 성능을 유지합니다. 1층에 2층을 더 추가하면 충방전 시간이 약 2.5배 늘어납니다.

미분 방정식을 기반으로 한 슈퍼커패시터 에너지 저장의 추정 분자빔 에피택시법을 사용한 GeBi 필름의 준비 및 광학적 특성

나노물질