电聚合无粘合剂柔性 PPy-CQD-Cu 电极的制备及其在不对称超级电容器中的应用

《Journal of the Indian Chemical Society》：Preparation of Electropolymerized Binder-Free Flexible PPy-CQD-Cu Electrode as a Cathode Material for Asymmetric Supercapacitor Application

　　

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  通过电聚合制备的新型 PPy-CQD-Cu 柔性电极。
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  通过 XRD、拉曼光谱、SEM、EDX 和 XPS 技术确认了结构。
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  在三电极体系中，比容量为 244 mF/cm²（1 A/g 条件下）。
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  不对称器件的比能量为 30.15 Wh/cm²，比功率为 890 W/cm²。
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  经光照测试 3000 次循环后，仍保持 86% 的电容值。

引言

超级电容器（SCs）凭借其较高的电导率和功率密度以及长循环寿命，成为有前景的储能器件之一。电极材料是超级电容器的关键组成部分，可根据电化学储能机制进行分类[1]。通常，碳材料用于双电层电容器（EDLC[2]），金属氧化物[3]和导电聚合物[4]属于赝电容器，而碳与金属氧化物及导电聚合物的组合则构成混合电容器[5]。电极材料具有独特的性能，如优越的电导率、足够的多孔结构以及可调带隙特性。其中，混合电极材料因具有更好的电化学活性和更广泛的电容范围而备受关注，并通过机器学习和人工智能技术进行分析，作为储能器件的阳极和阴极材料[6]。聚合物在能源和环境应用领域具有极大的吸引力[7]、[8]。特别是聚吡咯（PPy）[9]、聚苯胺（PANI）[10]、[11]和聚噻吩（PTh）等导电聚合物，通常被用作超级电容器的电极材料。由于吡咯成本低且电导率高，PPy 在储能应用中受到更多关注。然而，由于其活性位点和体积在充放电过程中会发生变化，导致其比电容低于碳和金属氧化物等其他类型的电极材料。为了解决这一问题，PPy 通常与碳材料如氧化石墨烯（GO）[12]、还原氧化石墨烯[13]、碳纳米管（CNT）[14]、碳量子点（CQD）[15]、[16]以及铜、钴、氧化铁等过渡金属进行掺杂。掺杂材料可以提高 PPy 的寿命和循环电容。例如，PPy-GO[17]、PPy-MWCT[18]、PPy-Cu[19]和 PPy-MnO₂[20]电极材料表现出更高的比电容。通常，电化学聚合是制备超级电容器无粘结剂电极的最简单方法。在该过程中，借助外加电位/电流，电极表面被聚合物覆盖。与氧化石墨烯[21]、MXene[22]、[23]、多孔碳[24]、[25]和 MWCT 相比，CQD[26]具有良好的溶解性、简便的合成方法、低成本和生物相容性[8]。因此，CQD 被广泛用于各种电化学应用，如传感器、水分解、太阳能电池、超级电容器和电池。在我们之前的研究中，通过电聚合将抗坏血酸衍生的 CQD 掺杂到导电聚合物中，用于有机太阳能电池应用[27]、[28]。结果表明，PPy-CQD 的电导率高于 PPy。因此，本研究制备了 CQD 掺杂的 PPy 柔性电极材料用于超级电容器应用。为了提高电导率，通过共电沉积法向该复合材料中添加了铜（Cu）。Cu 与 PPy 的亚胺基以及 CQD 的羟基和羧基官能团结合，生成 PPy-CQD-Cu 复合电极材料。所制备的 PPy、PPy-CQD、PPy-Cu 和 PPy-CQD-Cu 电极材料均进行了电化学研究。PPy-CQD-Cu 电极具有优越的电导率和电容，范围达 244 mF cm^-2。此外，不对称器件[29]（活性炭/PVA//H₂SO₄/PPy-CQD-Cu）的比能量为 30.15 Wh cm^-2，比功率为 890 W cm^-2，这表明该电极是适用于超级电容器应用的理想材料。

章节摘要

材料

碳布（CC）、吡咯、硫酸铜（CuSO₄）、硫酸（H₂SO₄）和聚乙烯醇（PVA）均购自 SRL Chemical Pvt. Ltd.。所有实验中使用的去离子水均通过 Merck Milli-Q 水纯化系统净化。

碳量子点（CQD）的制备

碳量子点（CQD）采用一锅法水热合成，由抗坏血酸制备，依据前人文献方法[30]、[31]。

PPy-CQD-Cu 电极的制备

PPy-CQD-Cu 通过电聚合方法制备，其中碳布（CC）作为工作电极，

XRD、拉曼和 FT-IR 分析

图 2(a) 展示了 PPy、PPy-CQD、PPy-Cu 和 PPy-CQD-Cu 复合材料的 X 射线衍射（XRD）图谱。纯 PPy 在约 26.07°处呈现一个宽峰（d=0.35 nm），d 间距值为 3.42 ?，表明 PPy 的聚集结构为非晶态。图谱中尖锐且窄的峰代表样品结晶组分的衍射，而宽峰则表明非晶组分的衍射，说明所生成物质部分为

结论

通过一步新型电聚合方法制备了 PPy-CQD-Cu 无粘结剂柔性电极，并通过 XRD 中相应的衍射峰以及拉曼光谱中的 D 带和 G 带予以确认。SEM 形貌表明碳布表面被 PPy-CQD-Cu 所包覆。EDX 和 XPS 确认了元素的存在及其氧化态，同时也证实了官能团的存在。在超级电容器应用中，三电极体系下 PPy-CQD-Cu 展现出较高的

作者贡献声明

Stalin Thambusamy：撰写–审阅与编辑、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、获取资金。Mani Govindasamy：可视化、验证、监督、项目管理、获取资金。Chih-Yu Kuo：监督、形式分析、数据整理。Amos Ravi：形式分析、数据整理。Arunkumar Selvam：调查研究、形式分析、数据整理。Hariharan Mailadi Amirthalingam：形式分析、数据整理。Nithesh

利益冲突声明

所有作者声明不存在利益冲突。

数据可用性

相关数据可根据要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文研究结果的任何已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

感谢印度阿拉嘎帕大学工业化学系。

感谢台湾台北科技大学和明志科技大学。

Esakkimuthu Shanmugasundaram | Nithesh Kumar Krishnan | Hariharan Mailadi Amirthalingam | Arunkumar Selvam | Amos Ravi | Chih-Yu Kuo | Mani Govindasamy | Stalin Thambusamy