Окислитель-свободный гидротермальный метод анкорирования ультратонкого PEDOT на редуцированном оксиде графена для высокопроизводительных гибких суперконденсаторов

Аннотация

Мы представляем простой, безокислительный гидротермальный синтез, который осаждает ультратонкий поли(3,4‑этилендиокситиофе́н) (PEDOT) непосредственно на нанолистах редуцированного оксида графена (rGO). Гидроксильные и эпоксидные группы на оксиде графена (GO) выступают в роли in-situ окислителей, запуская полимеризацию EDOT при одновременном восстановлении GO до rGO. Полученный композит rGO/PEDOT демонстрирует проводимость 88,5 С см⁻¹ и удельную емкость 202,7 Ф г⁻¹ в 1 М H₂SO₄. Электрохимические тесты показывают >90 % сохранения емкости после 9000 циклов и 98 % после 3000 циклов изгиба при осаждении на хлопковую ткань, подчеркивая его перспективность для гибких устройств хранения энергии.

Научные основания

• Функциональные группы на GO управляют одновременно восстановлением и полимеризацией PEDOT без внешних окислителей.
• Полученный rGO/PEDOT достигает рекордной проводимости и удельной емкости среди гидротермальных композитов.
• Электроды сохраняют высокую стабильность при длительном циклировании и механическом изгибе.

Введение

Проводящие полимеры (CP), такие как PEDOT, стали ключевыми материалами для высокомощного хранения энергии благодаря их обратимому редокс-поведению и отличной электрической проводимости. Однако чистые CP-электроды часто страдают от низкой механической прочности и ограниченной проводимости. Гибридизация CP с карбонными наноструктурами — особенно производными графена — доказала свою эффективность в повышении как емкости, так и долговечности. Конвенциональные методы синтеза обычно требуют химических окислителей, усложняя очистку и потенциально вводя остаточные примеси. Здесь мы демонстрируем «зеленый», безокислительный гидротермальный маршрут, который использует интринсические функциональные группы GO для одновременного восстановления и полимеризации PEDOT, давая синергетический композит с превосходной электрохимической производительностью.

Материалы и методы

Материалы

Графитовые хлопья (Sigma‑Aldrich) превращали в GO методом Хаммерса. Мономер EDOT (Bayer) и все реактивы были аналитического чистоты.

Приготовление rGO/PEDOT

Раствор EDOT (50 мкл) добавляли к 50 мл дистиллированной воды, мешали 2 ч. GO (1,5 г) диспергировали в 30 мл воды, мешали 1 ч и центрифугировали при 2500 об/мин. Раствор EDOT затем капельно вводили в дисперсию GO и мешали при 60 °C 6 ч, затем при 90 °C 2 ч для завершения полимеризации и восстановления. Вариации загрузки GO (1,5 г, 3 г, 4 г, 4,5 г) давали композиты rGO/PEDOT1–4. Чистый rGO готовили при идентичных условиях без EDOT.

Характеризация и электрохимическое тестирование

Морфологию изучали SEM (Hitachi S‑2400) и ТЭМ. UV‑Vis (Shimadzu UV‑1700), FT‑IR (ALPHA), Raman (WITec), XPS (Thermo Fisher) и электрическая проводимость (четырехзондовый SX193) использовали. Электрохимические измерения проводили на станции CHI600 с электролитом 1 М H₂SO₄, Pt контрэлектродом, Ag/AgCl опорным. CV, GCD и EIS собирали при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

Спектроскопическое подтверждение in-situ полимеризации

UV‑Vis спектры показывают характерный π→π* сдвиг от 225 нм (GO) к 241 нм (rGO) и широкую полосу поглощения PEDOT (450–800 нм). FT‑IR и Raman спектры подтверждают удаление C–OH и C–O–C групп и появление вибраций PEDOT C–S, C–O–C и C=C. XPS раскрывает C/S/O соотношения, указывающие на успешную полимеризацию и частичное сохранение функциональных групп, облегчающих дальнейшие реакции.

Морфология и проводимость

SEM-изображения показывают листы rGO с равномерно покрытыми наночастицами PEDOT; ТЭМ подтверждает тонкий слой PEDOT. Измерения проводимости демонстрируют увеличение на четыре порядка от rGO (≈0,02 С см⁻¹) до rGO/PEDOT (88,5 С см⁻¹), с оптимальной загрузкой GO 4 г. Высокая проводимость обусловлена как призматичной графеновой решеткой, так и высокопроводящей оболочкой PEDOT.

Электрохимическая производительность

CV-кривые rGO/PEDOT демонстрируют увеличенные редокс-пики и площадь по сравнению с rGO, отражая комбинированную псевдоемкость (PEDOT) и двойной слой (rGO). GCD-тесты показывают рост удельной емкости от 120,5 Ф г⁻¹ (rGO) до 202,7 Ф г⁻¹ (rGO/PEDOT3) и сохранение >90 % после 9000 циклов. Данные EIS показывают сниженное последовательное сопротивление (Rs) и более быстрый зарядопередачу в композите. Гибкие электроды, изготовленные на хлопковой ткани, сохраняют 98 % начальной емкости после 3000 циклов свободного изгиба, демонстрируя механическую надежность.

Механистическая инсайт

Во время гидротермальной обработки эпоксидные и гидроксильные группы GO окисляют EDOT, генерируя EDOT-радикалы, которые полимеризуются в PEDOT, пока GO восстанавливается. Полученное межслойное взаимодействие улучшает электронные пути и механическое сцепление, что объясняет наблюдаемую электрохимическую стабильность.

Заключение

Мы разработали безокислительный гидротермальный метод, который одновременно восстанавливает GO и анкорирует ультратонкий PEDOT, производя нанокомпозиты rGO/PEDOT с проводимостью 88,5 С см⁻¹, емкостью 202 Ф г⁻¹ и исключительной циклической и изгибающей стабильностью. Эти находки предоставляют масштабируемый путь к высокопроизводительным гибким суперконденсаторным электродам.

Доступность данных и материалов

Все наборы данных включены в основную рукопись или дополнительные файлы.