Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (3), 380–389
Synthesis and characterization of one pot electrochemical graphene for supercapacitor applications
R. Naresh Muthu – Department of Physics, J. P. College of Arts and Science, Tenkasi – 627852, Tamilnadu, India (Affiliated to Manonmaniam Sundaranar University, Tirunelveli, Tamil Nadu, India); rnaresh7708@gmail.com
DOI 10.17586/2220-8054-2023-14-3-380-389
ABSTRACT Graphene can be used to store energy as well as a supercapacitor material because of its unique physical and chemical properties, including high specific surface area, high chemical stability, high mechanical strength, and oxidation resistance. In this report, a facile, green, and cost-effective approach has been adopted to synthesize graphene sheets through an electrochemical exfoliation technique for supercapacitor applications. Graphene sheets were synthesized using aqueous electrolyte (Ag/AgCl, 0.1 M H2SO4) with four different exfoliation potentials such as 3, 5, 7 and 9 V. The prepared graphene sheets were subjected to characterization techniques such as Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), and atomic force microscopy (AFM). The Raman results revealed that the defect density and thickness of the graphene layers increased with increased in the exfoliation potential and then eventually decreased. Among all potentials, the maximum crystalline size of graphene was observed for the potential of 5 V, an intermediate crystalline size of 9 V, and minimum for 7 V, showing that the exfoliated graphene layer was sensitive to the exfoliation potential. XPS study shows the structural oxidation (relative percentage of carbon and oxygen) of the exfoliated graphene at different potentials. The results indicate that electrochemically exfoliated graphene (5 V) has been successfully produced. The behaviour of 5 V graphene has been examined using a charge-discharge (CD) curve and cyclic voltammetry (CV) for supercapacitor applications. The maximum value of specific capacitance obtained is 198 F·g-1 at a current density of 0.14 A·g-1 in 6 M KOH. The highest value obtained for energy density and power density is 17 W·h·kg-1 and 1176 W·kg-1.
KEYWORDS graphene, electrochemical exfoliation, supercapacitor, EDLC
FOR CITATION Naresh Muthu R. Synthesis and characterization of one pot electrochemical graphene for supercapacitor applications. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (3), 380–389.
[In Russian] Р. Нареш Мутху
Одностадийный синтез и характеристика электрохимического графена для применения в суперконденсаторах
Р. Нареш Мутху – Кафедра физики, Колледж искусств и наук JP, Тенкаси – 627852, Тамилнад (филиал Университета Манонманиам Сундаранар, Тирунелвели); rnaresh7708@gmail.com
АННОТАЦИЯ Графен можно использовать для хранения энергии, а также в качестве материала для суперконденсаторов благодаря его уникальным физическим и химическим свойствам, включая высокую удельную поверхность, высокую химическую стабильность, высокую механическую прочность и стойкость к окислению. В представленной работе использовался простой, экологически чистый и экономичный подход к синтезу листов графена с помощью метода электрохимического расслоения для дальнейшего применения в суперконденсаторах. Листы графена были синтезированы с использованием водного электролита (Ag/AgCl, 0.1 M H2SO4) с четырьмя различными потенциалами расслаивания – 3В, 5В, 7В и 9В. Подготовленные листы графена были охарактеризованы набором методов физико-химического анализа, включающим рамановскую спектроскопию, фотоэлектронную спектроскопию (XPS), рентгеновскую дифракцию (XRD) и атомно-силовую микроскопию (АСМ). Результаты комбинационного рассеяния показали, что плотность дефектов и толщина графеновых слоев увеличивались с увеличением потенциала расслоения, а затем в конечном итоге уменьшались. Среди всех потенциалов максимальный размер кристаллов графена наблюдался при потенциале 5В, промежуточный размер кристаллов 9В и минимум при 7В, что свидетельствует о том, что эксфолиированный слой графена чувствителен к потенциалу эксфолиации. Исследование XPS показывает структурное окисление (относительное процентное содержание углерода и кислорода) расслоенного графена при различных потенциалах. Поведение графена при напряжении 5В было исследовано с использованием кривой заряда-разряда (CD) и циклической вольтамперометрии (CV) для применения в суперконденсаторах. Максимальное полученное значение удельной емкости составляет 198 Ф∙г-1 при плотности тока 0,14 А∙г-1 в 6М растворе КОН. Наибольшее значение, полученное для плотности энергии и удельной мощности, составляет 17 Вт·ч·кг-1 и 1176 Вт·кг-1.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА графен, электрохимическое расслоение, суперконденсатор и EDLC.
