Hydrothermal synthesis of graphene oxide/conducting polymer composite materials and their application in electrochemical energy storage devices

U ovom radu provedena je simultana redukcija grafenovog oksida i oksidacija monomera anilina, o-fenilendiamina i pirola hidrotermalnom reakcijom, u cilju nastanka kompozita poboljšanih kapacitivnih svojstava. Sinteza se provodila iz otopina pH=0 i pH=7, u autoklavu, pri temperaturi od 120 °C tijekom 5 sati. U neutralnim uvjetima dobiveni su kompaktni hidrogelovi, dok su u kiselim uvjetima dobiveni hidrogelovi skloni degradaciji, odnosno dobivene su suspenzije. Suspenzije i hidrogelovi, koji su prethodno mehanički usitnjeni naneseni su na zlatom prevučene kvarcne elektrode i ispitani u tro-elektrodnom sustavu metodom cikličke voltametrije. Ispitivanja su se provodila u elektrolitima H2SO4 i Na2SO4, a razlika u izgledu cikličkog voltamograma između ova dva elektrolita izravan je dokaz nastanka vodljivog polimera. Nadalje, iz cikličkih voltamograma izračunati su specifični kapaciteti koji se nalaze u rasponu od 37 - 198 F g^-1. Najveći specifični kapacitet izmjeren je kod elektrode izrađene od suspenzije kompozita reduciranog grafenovog oksida i polianilina dobivene pri pH=0. Hidrogel reduciranog grafenovog oksida dobivenog pri pH=7, te hidrogelovi kompozita reduciranog grafenovog oksida i polianilina/polipirola dobiveni iz pH=7 korišteni su za izradu tri različite vrste superkondenzatora, prilikom čega su napravljena dva asimetrična i jedan simetrični tip superkondenzatora. Superkondenzatori su ispitani metodom cikličke voltametrije, a potom je provedeno 1000 uzastopnih ciklusa punjenja i pražnjenja. Kronopotenciometrijskim krivuljama praćena je promjena specifičnih kapaciteta s brojem ciklusa te je dobiveno da se specifični kapaciteti priređenih superkondenzatora nalaze u rasponu od 50 - 160 F g^-1 koje zadržavaju tijekom 1000 ciklusa. Određena je i promjena ekvivalentnog serijskog otpora s brojem ciklusa, a vrijednosti ekvivalentnog serijskog otpora pokazale su se izrazito niskima i iznose od 5 - 6,3 Ω.Reduction of graphene oxide and oxidation of aniline, o-phenylenediamine and pyrrole monomers were carried out simultaneously via a hydrothermal reaction, with a goal of creating a composite with enhanced capacitance characteristics. The synthesis was carried out in anautoclave using pH=0 and pH=7 solutions, at 120°C, for 5 hours. Compact hydrogels were obtained using the pH=7 solutions while at pH=0 solutions suspensions were produced. Both suspensions and hydrogels were mechanically chrushed, before their deposition onto gold coated quartz electrodes and characterisation in a three-electrode system using cyclic voltammetry. Electrolytes used for characterisation were H2SO4 and Na2SO4. The obvious difference in cyclic voltammograms of the mentioned electrolytes is direct evidence of the formation of conductive polymer. Furthermore, specific capacitance values calculated using cyclic voltammograms ranged from 37 - 198 F g^-1. The highest specific capacitance was determined for the electrode prepared from the reduced graphene oxide suspension and polyaniline composite at pH=0. Three different types of supercapacitors, two asymmetric and one symmetric, were fabricated using the reduced graphene oxide hydrogel, pH=7 and reduced graphene oxide and polyaniline/polypyrrole hydrogel composites, pH=7. The supercapacitors were characterised by cyclic voltammetry and 1000 galvanostatic charge/discharge cycles. Shifts in the specific capacitances were followed using chronopotentiometric curves. The specific capacitances retained after 1000 cycles for the prepared supercapacitors ranged from 50 - 160 F g^-1. Additionally, changes in equivalent series resistance were determined for a different number of cycles and the obtained values proved to be quite low, going from 5 - 6,3 Ω