Sự lai hóa của graphene và HKUST-1 (MOF): Điện cực cho siêu tụ điện hiệu năng cao

Bài viết Sự lai hóa của graphene và HKUST-1 (MOF): Điện cực cho siêu tụ điện hiệu năng cao đưa ra một phương pháp đơn giản và có thể giải quyết được sự bám dính của các lớp graphene, đó là kết hợp vật liệu graphene với vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOF) để tạo ra một cấu trúc không gian ba chiều, rỗng cao.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 SỰ LAI HÓA CỦA GRAPHENE VÀ HKUST-1 (MOF): ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN HIỆU NĂNG CAO Ngô Văn Trúc Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi, email: ngotruc@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Sự phát triển thiết bị điện tử dự trữ lượng hiệu hơn, nhẹ linh hoạt, mặc trở thành nhu cầu ngày tăng sống người Các siêu tụ điện (supercapacitors) với mật độ công suất cao, tốc độ nạp - xả nhanh, độ ổn định cao với tuổi thọ bền ngày thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học dạng thiết bị hữu hiệu thay cho pin truyền thống Siêu tụ điện dự trữ lượng theo chế hai lớp điện hóa (EDLs), có ưu điểm mật độ công suất cao thời gian sạc-xả điện tích trội hẳn pin, loại thiết bị hoạt động dựa phản ứng q trình ơxy hóa-khử (Faradaic) thiết kế để cung cung mật độ lượng cao [1] Graphene (màng mỏng cấu trúc lục giác bon với kiểu lai hóa sp2) quan cho ứng dụng làm điện cực siêu tụ điện, tính chất ưu việt bao gồm độ dẫn điện, nhiệt cao, độ bền học cao, khả linh động cao điện tử [2] Tuy nhiên, bám dính khó tách rời graphene ảnh hưởng tương tác π-π khiến chúng tạo thành cấu trúc giống với than (graphite), dẫn đến diện tích bề mặt, giảm độ rỗng lớp graphene làm giảm kênh dẫn ion bên cấu trúc chúng, khả thẩm thấu, khuếch tán ion chất chất điện ly, cuối làm chậm phản ứng oxy hóa - khử chất điện ly với vật liệu hoạt hóa điện cực [3] Trong báo này, tác giả đưa phương pháp đơn giản giải bám dính lớp graphene, kết hợp vật liệu graphene với vật liệu khung hữu kim loại (MOF) để tạo cấu trúc không gian ba chiều, rỗng cao hình gồm hai trình sau Quá trình 1: Nghiền học MOF (HKUST-1) dạng kim cương graphene oxit (GO- graphene oxit dạng dẫn xuất graphene) - để tạo HKUST-1, đan xen GO tạo thành cấu trúc ba chiều Quá trình 2: Để tạo thành cấu trúc rỗng, lượng laser CO2 sử dụng để chuyển hóa GO thành graphene với độ dẫn điện tăng lên cấu trúc rỗng cao - tạm gọi L-rGO, đồng thời HKUST-1 bị cácbon hóa (tạm gọi C-MOF) Hình Sơ đồ bước thí nghiệm PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU + Chuẩn bị hóa chất vật liệu nguồn + Chuẩn bị oxit graphene (GO) + Chuẩn bị mẫu GO@HKUST-1 xử lý CO2 laser, làm điện cực siêu tụ điện + Các phương pháp đo đạc, kiểm tra tính chất vật liệu KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Cấu trúc đặc trưng màng L-rGO-C-MOF tổ hợp ứng dụng làm điện cực siêu tụ điện Hình 2a, b (ảnh từ xuống ảnh mặt cắt ngang) bề mặt màng tổ hợp L-rGO-C-MOF 292 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 sau xử lý laser có thay đổi đáng kể Các HKUST-1 bị bon hóa hình thái chuyển từ dạng thành hạt cỡ nanomet tạo thành cấu trúc mạng chiều với L-rGO (hình 2b) Hình Phổ nhiễu xạ tia Rơn ghen, (b) phổ Raman, (c) phân tích nhiệt L-rGO L-rGOC-MOF (d) EDAX L-rGO-C-MOF với ảnh bên EDAX cuae GO@HKUST-1 Hình Ảnh SEM màng tổ hợp L-rGOC-MOF sau xử lý laser (a,b) ảnh từ xuống, (c,d) ảnh mặt cắt ngang bề mặt Hình 4a cho thấy phổ Rơnghen L-rGO (đường a) với đỉnh nhiễu xạ mạnh 25,72º, khảng định phục hồi cấu trúc lai hóa C-sp2 graphene từ C-sp3 GO, loại bỏ nhóm chức chứa ôxy GO tác dụng lượng laser Một đỉnh nhiễu xạ 26,08º phổ L-rGO-C-MOF khảng định phục hồi cấu trúc graphene từ GO Ngoài ra, đỉnh nhiễu xạ 43,39º 74,11º khảng định có mặt cuả Cu2O Kết phổ Raman (hình 3b) phân tích nhiệt (hình 3c), khảng định GO HKUST-1 sau xử lý laser khử bon hóa, khử thành graphene tương ứng Phổ EDAX L-rGO-C-MOF (hình 4d) cho thấy có mặt ba ngun tố C (80,75%), O (5,92%) Cu (13,33%), cho thấy hiệu việc khử nhóm chức chứa ôxy GO phục hồi cấu trúc graphene Hình tóm tắt đặc trưng điện hóa L-rGO L-rGO-C-MOF dạng điện dung, đồ thị sạc-xả tuổi thọ điện cực Đường cong CV (cyclic voltammetry) (hình 4a) L-rGO cho thấy có dạng hình chữ nhật, hành vi điện dung hai lớp lý tưởng (EDLs) Trong L-rGO-C-MOF với Cu2O cấu trúc graphene, dự trữ điện tích qua phản ứng ơxy hóa khử Faradaic nhanh thuận nghịch [4] Điện cực L-rGO-C-MOF biểu hành vi điện dung tái lặp ổn định với tốc độ quét từ tới 100 mV/s thấy (hình 4b) Đường cong sạc-xả (CD) L-rGO L-rGO-C-MOF A/g minh họa (hình 4c), tương ứng Màng tổ hợp L-rGO-C-MOF biểu thị chệnh từ hành vi tuyến tính thời gian sạc-xả lâu so với L-rGO Lý đóng góp chất “sự lưu điện hóa” Cu2O cấu trúc rỗng L-rGO-C-MOF Như thấy từ (hình 4e), điện dung riêng L-rGO L-rGO-C-MOF giảm đáng kể tốc độ quét tăng Điều xảy khuếch tán ion chất điện ly bị cản trở tới bề mặt điện cực từ lớp điện hóa ổn định tốc độ quét cao 293 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, tác giả trình bày phương pháp mới, kết hợp MOF (HKUST-1) graphene để tạo cấu trúc ba chiều ứng dụng cho siêu tụ điện Màng tổ hợp cấu trúc chiều xử lý CO2 laser đồng thời khử GO thành graphene bon hóa HKUST-1, dẫn tới diện tích bề mặt riêng, độ dẫn điện, độ rỗng cao Kết đạt từ phép đo điện hóa, với điện dung đạt giá trị 390F/g tốc độ quét 5mV/s, độ ổn định sạc-xả mật độ dòng diện 10 A/g sau 5000 chu kỳ với điện dung lại cao, 97,8% Hơn nữa, mật độ lượng đạt 22,3 Wh/kg công suất riêng cao, 8037,5 W/kg TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình (a) So sánh đường CV L-rGO L-rGO-C-MOF, (b) CV L-rGO-C-MOF tốc độ quét khác nhau, (c) hành vi sạcxả L-rGO-C-MOF L-rGO A/g, (d) hành vi sạc-xả L-rGO-C-MOF mật độ dòng điện khác nhau, (e) so sánh điện dung riêng L-rGO-C-MOF L-rGO tốc độ quét khác nhau, (f) thử độ ổn định chu kỳ điện dung L-rGO-CMOF sau 5000 chu kỳ sạc-xả Cuối cùng, ổn định chu kỳ điện cực L-rGO-C-MOF thử nghiệm sạc-xả mật độ dòng điện 10 A/g (hình 4f) cho thấy độ bền sạc-xả cao với khả trì 97,8% sau 5000 chu kỳ [1] C Hu et al (2015), Tailored graphene systems for unconventional applications in energy conversion and storage devices, Energy Eviron Sci 8, pp31-54 [2] Y Zhu et al (2010), Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications, Adv Mater 22, pp 3906-3924 [3] T Kim et al (2013), Activated graphenebased carbons as supercapacitor electrodes with macro- and mesopores, ACS Nano 7, pp 6899-6905 [4] D, P et al (2010), Fabrication of copper oxide multilayer nanosheets for supercapacitors applications, J Alloy Comp 492, pp 26-30 294 ... pháp mới, kết hợp MOF (HKUST-1) graphene để tạo cấu trúc ba chiều ứng dụng cho siêu tụ điện Màng tổ hợp cấu trúc chiều xử lý CO2 laser đồng thời khử GO thành graphene bon hóa HKUST-1, dẫn tới diện... vi điện dung hai lớp lý tưởng (EDLs) Trong L-rGO-C-MOF với Cu2O cấu trúc graphene, dự trữ điện tích qua phản ứng ơxy hóa khử Faradaic nhanh thuận nghịch [4] Điện cực L-rGO-C-MOF biểu hành vi điện. .. phục hồi cấu trúc graphene Hình tóm tắt đặc trưng điện hóa L-rGO L-rGO-C-MOF dạng điện dung, đồ thị sạc-xả tuổi thọ điện cực Đường cong CV (cyclic voltammetry) (hình 4a) L-rGO cho thấy có dạng