폴리아닐린/질소 도핑 정렬된 메조포러스 탄소 합성물의 합성 및 슈퍼커패시터 성능

결과 및 토론

PANI/NOMC-x의 합성 과정 그림 1a에 나와 있습니다. Resol과 cyanamide를 SBA-15에 주입한 후 800°C에서 Hybrid를 탄화시킨 후 HF 수용액(10wt%)을 첨가하여 템플렛을 제거하여 PANI/NOMC- x . NOMC 및 PANI/NOMC-x의 형태 NOMC(그림 1b, c) 및 PANI/NOMC-0.5(그림 1e, f)의 일반적인 샘플의 SEM 이미지는 NOMC와 PANI/NOMC-0.5가 많은 원통형 입자로 구성되어 있음을 보여줍니다. 1μm의 균일한 크기로 PANI/NOMC-0.5 표면의 코팅층은 NOMC 표면에 PANI가 성공적으로 코팅되었음을 나타냅니다. NOMC의 TEM 이미지(그림 1d)는 균일한 줄무늬 모양으로 배열된 이미지를 명확하게 표시하며 줄무늬 간격은 약 3nm입니다. PANI로 코팅한 후 PANI/NOMC-0.5의 TEM 이미지에서 균일한 줄무늬 모양의 배열 이미지를 볼 수도 있습니다(그림 1g 및 추가 파일 1:그림 S3). 이는 PANI 코팅이 기공 구조를 변경하지 않음을 나타냅니다. NOMC의.

PANI/NOMC-x 제작 계획 (아 ). NOMC의 SEM 이미지(b , ㄷ ) 및 PANI/NOMC-0.5(e , f ). NOMC의 TEM 이미지(d ) 및 PANI/NOMC-0.5(g ). FT-IR 스펙트럼(h ) 및 XRD 패턴(i ) NOMC 및 PANI/NOMC-0.5

NOMC 및 PANI/NOMC-x의 FT-IR 스펙트럼 그림 1h 및 추가 파일 1:그림 S1에 나와 있습니다. 1120cm ⁻¹ 에서 PANI의 특징적인 흡착 피크를 볼 수 있습니다. 그리고 PANI/NOMC-x 1300 및 1496cm ⁻¹ 에서 , 각각. 이러한 피크는 benzenoid 단위의 N=Q=N, C–H 및 C=C의 신축 진동에 기인할 수 있습니다. PANI의 질량비가 증가함에 따라 이러한 피크의 강도가 크게 증가하며(추가 파일 1:그림 S1), 이는 또한 PANI가 NOMC에 성공적으로 코팅되었음을 나타냅니다. NOMC 및 PANI/NOMC-0.5의 XRD 패턴(그림 1i)에서 NOMC 및 PANI/NOMC-0.5가 비정형 탄소임을 알 수 있으며, 이는 PANI 코팅이 NOMC의 구조를 변경하지 않을 것임을 시사합니다. XPS 결과는 NOMC 및 PANI/NOMC-x에서 C, N, O의 원자 환경과 함량을 보여주었습니다. (그림 2 및 표 1). 잘 알려진 바와 같이, O_1s를 기반으로 하는 산소/질소 기능 스펙트럼(524–540 eV) 및 N_1s 스펙트럼(약 400eV)은 매우 단일하므로 합성물의 O 및 N 함량을 계산할 수 있지만 C, O 및 N의 결합 방식은 반영할 수 없습니다. 따라서 C_1s 스펙트럼은 C, N 및 O 원자의 환경을 반영하도록 분석됩니다. C₁의 경우 NOMC의 스펙트럼, C₁ (248.8 eV)는 C=C sp ² 의 π-π* 전환에 기인할 수 있습니다. 비편재화 채권 및 C₂ 카르보닐 또는 카르복실산의 C=O 결합을 반영합니다[22]. 이전 보고서와 같이 N 요소는 5가지 종으로 분류됩니다. 398.4eV의 피리딘성 질소 종, 399.3eV의 아미노 질소 종, 400.2eV의 피롤산 질소 종, 흑연 및 N에 할당된 401.1 및 403.5eV 종 + -O ⁻ 질소, 각각 [23]. 거의 모든 N₁ 400.8 eV에서 NOMC 종은 401.1 eV의 흑연 질소 종에 매우 가깝습니다(그림 2 및 표 1). 따라서 NOMC의 합성 메커니즘은 다음과 같이 추측할 수 있습니다. 레졸 및 니트릴 암모니아로부터 C 및 N 원자의 열분해는 고온(800°C)에서 SAB-15의 주형을 통해 NOMC로 탄화될 수 있습니다. 흑연질소(C–N)의 높은 안정적인 결합 [24, 25]; 한편, C=O의 형성은 레졸의 O 원자의 존재에 기인할 수 있습니다. 어쨌든 단일 OMC와 비교할 때 N-도핑된 OMC는 높은 메조다공도를 갖는 넓은 표면적을 가지며 특정 정전용량 및 우수한 속도 성능을 갖습니다[19]. 또한 PANI/NOMC-x에서 PANI의 질량비로 증가, C₁의 내용 C₂의 62.60%에서 39.83%로 감소 점진적으로 증가하여(표 1), 이는 복합재를 생산하는 동안 C=C의 결합이 끊어져 PANI/NOMC-x 추가로 성공적으로 합성됩니다. 또한 PANI/NOMC-x의 N 함량에 따라 증가할수록 질량비가 증가함에 따라 NOMC 표면에 더 많은 PANI가 코팅됩니다. 흥미롭게도 PANI의 질량비가 0.5~4까지 증가했을 때 PANI/NOMC-x의 O 함량은 갑자기 증가; 복합재 생산 과정에서 과량의 PANI가 과황산염과 반응하여 NOMC 표면에 반응 생성물이 코팅된 것으로 추론할 수 있습니다. PANI/NOMC-x의 강화된 O 함량은 전기화학적 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 NOMC 및 PANI/NOMC-x의 BET - 200°C의 온도에서 질소 흡탈착 등온선 실험을 통해 수행되었습니다(그림 3 및 추가 파일 1:그림 S3). NOMC, PANI/NOMC-0.2, PANI/NOMC-0.5, PANI/NOMC-1, PANI/NOMC-2 및 PANI-NOMC-4의 BET 표면적은 1051.31, 530.20, 209.39, 178.10, 26.15 및 1입니다. m ² /g이며, 이들의 흡착 평균 기공 크기는 각각 2.82, 3.00, 2.12, 2.61, 10.23 및 31.30nm입니다. 복합 재료에 대한 감소하는 BET 표면적은 NOMC 표면에 PANI가 코팅된 결과일 수 있습니다. PANI/NOMC-4가 PANI, PANI/NOMC-0.5보다 기공 크기가 큰 것은 코팅 PANI가 NOMC의 기공을 차단하며, PANI의 함량이 NOMC가 완전히 차단되었습니다. 따라서 PANI/NOMC-4의 증가된 기공 크기는 코팅된 PANI 사이의 공간일 수 있으며 이 결과는 PANI/NOMC-x의 커패시턴스 변화와 일치합니다. 다음 조사에서.

C_1s의 XPS 스펙트럼 , N_1s , 및 O_1s NOMC용(a ), PANI/NOMC-0.5(b ) 및 PANI/NOMC-4(c )

N₂ NOMC, PANI/NOMC-0.5 및 PANI/NOMC-4의 흡탈착 등온선(a ). NOMC, PANI/NOMC-0.5 및 PANI/NOMC-4의 기공 크기 분포(b )

NOMC 및 PANI/NOMC-x의 전기화학적 성능 순환 전압 전류법(CV) 방법을 사용하여 평가되었습니다. 그림 4a와 같이 NOMC 및 PANI/NOMC-x 이중층 커패시터의 일반적인 특징인 0.1V/s의 스캔 속도에서 대략 직사각형 CV 모양을 나타냅니다. PANI/NOMC-x용 , CV 곡선은 류코메랄딘/에메랄딘/페르니그라닐린 구조 전환 사이의 PANI의 산화환원 전이 때문에 두 쌍의 산화환원 피크를 나타냅니다[11]. 그림 4b는 NOMC 및 PANI/NOMC-x의 정전류 충전-방전 곡선을 보여줍니다. 1A/g의 전류 밀도에서 측정된 전극 방전곡선으로부터 계산된 NOMC, PANI/NOMC-0.2, PANI/NOMC-0.5, PANI/NOMC-1, PANI/NOMC-2, PANI/NOMC-4의 비정전용량은 137.6, 211.2, 258.9, 244.5, 각각 143.6 및 53.0 F/g입니다. PANI의 질량비가 증가함에 따라 PANI/NOMC의 비정전용량-x 먼저 상승했다가 하락했다. PANI/NOMC-x의 특정 커패시턴스를 증가시키기 위해 더 적은 PANI가 패러데이 의사 커패시턴스를 제공하기 때문일 수 있습니다. 그러나 NOMC에 더 많은 PANI가 코팅되면 기공 구조가 차단되어 복합 재료의 BET 표면이 감소한 다음 점차적으로 비정전용량이 낮아집니다. 그림 4c는 NOMC 및 PANI/NOMC-x의 Nyquist 플롯을 보여줍니다. . 모든 PANI/NOMC-x 재료는 고주파 영역에서 작은 반원을 나타내며, 이는 전극과 전해질 사이의 계면에서 전하 이동 저항으로 인해 발생하며, 이는 PANI/NOMC-x 복합 재료는 전기 전도성이 좋습니다. 저주파 영역에서 이러한 모든 곡선의 기울기는 매우 큽니다. PANI/NOMC-x를 나타낼 수 있습니다. 보고서 [22]에 따르면 우수한 정전 용량 성능을 가지고 있습니다. 그림 4d는 NOMC 및 PANI/NOMC-x의 비정전용량을 보여줍니다. 다른 전류 밀도에서. 전류 밀도의 증가에 따라 NOMC 및 PANI/NOMC의 비정전용량-x 천천히 감소합니다. 전류 밀도가 0.2에서 5A/g로 25배 증가했을 때 PANI/NOMC-0.5의 비정전용량은 265.3에서 215.5F/g(약 81.2% 유지)로만 감소하여 PANI/NOMC-0.5가 우수한 속도 성능을 나타냄을 보여줍니다. .

NOMC 및 PANI/NOMC-x의 CV 곡선 0.1V/s의 스캔 속도로(a ) NOMC 및 PANI/NOMC-x의 정전류 충전/방전 곡선 1A/g의 전류 밀도에서(b ). NOMC 및 PANI/NOMC-x의 Nyquist 플롯 (ㄷ ). NOMC 및 PANI/NOMC-x의 비정전용량 전류 밀도가 다른 전극(d ). 0.6M KOH가 모든 테스트의 전해질로 사용되었습니다.

NOMC 및 PANI/NOMC-x의 CV 곡선 그림 5a 및 추가 파일 1:그림 S2 a, c, e, g에 서로 다른 스캔 속도가 나와 있습니다. NOMC의 CV 곡선은 모든 스캔 속도에서 거의 직사각형 모양이며 NOMC의 커패시턴스가 이중 전극층 커패시턴스임을 나타냅니다. PANI로 코팅한 후 PANI/NOMC-x의 CV 곡선에 산화환원 피크가 있습니다. PANI/NOMC-x의 커패시턴스를 보여줍니다. 이중 전극층 커패시턴스와 패러데이 의사 커패시턴스에 의해 결정됩니다. 그림 5b 및 추가 파일 1:그림 S2 b, d, f 및 h는 NOMC 및 PANI/NOMC-x의 정전류 충전/방전 곡선을 보여줍니다. . PANI/NOMC-0.5는 다른 재료에 비해 비정전용량이 가장 크다는 것을 알 수 있다. NOMC 및 PANI/NOMC-0.5의 사이클링 성능은 그림 5c에 나와 있습니다. NOMC는 5000주기 후에 약 95%를 유지하는 정전용량에 대해 우수한 주기 성능을 가지고 있음을 쉽게 알 수 있습니다. 이는 PANI/NOMC-x보다 우수합니다. 합성물. 흥미롭게도 PANI/NOMC는 모든 순환 프로세스에서 NOMC보다 비정전용량이 더 큽니다. NOMC와 PANI/NOMC의 Ragone plot은 Fig. 5d와 같으며, 그 결과는 다음과 같다. PANI/NOMC-0.5의 에너지 밀도는 전력밀도가 증가함에 따라 거의 감소하지 않는데 이는 다른 보고에서는 보기 드문 현상이다[20, 21 ], 자세한 메커니즘은 향후 추가 조사가 필요합니다. 어쨌든 이번 연구의 결과는 슈퍼커패시터의 산업적 적용을 실현하는데 큰 의의가 있다.

PANI/NOMC-0.5의 CV 곡선(a ). PANI/NOMC-0.2의 정전류 충전/방전 곡선(b ). 약 5000주기(c)에서 5A/g의 6M KOH에서 PANI/NOMC-0.5의 주기 성능 ). NOMC 및 PANI/NOMC의 Ragone 플롯-x (d )