วัสดุเชิงประกอบแกรฟีนเจือไนโตรเจน/โคบอลต์และแมงกานีสออกไซด์/พอลิพีร์โรลสำหรับการประยุกต์เป็นตัวเก็บประจุยิ่งยวด

Abstract

งานวิจัยนี้เป็นการพัฒนาวัสดุสำหรับใช้เป็นตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่มีประสิทธิภาพสูงจากแกรฟีนเจือไนโตรเจนซึ่งมีกลไกการเก็บประจุแบบสองชั้นร่วมกับพอลิพิร์โรลและโลหะออกไซด์ผสมซึ่งมีกลไกการเก็บประจุแบบซูโดคาแพซิทีฟ โดยเริ่มจากนำแกรฟีนมารีฟลักซ์ร่วมกับเมลามีนในน้ำที่อุณหภูมิ 97 °C เป็นเวลา 12 ชั่วโมง ทำให้เกิดการเจือไนโตรเจนเข้าไปในโครงสร้างของแกรฟีน การเจือไนโตรเจนเข้าไปในแกรฟีนนี้ได้รับการยืนยันด้วยเทคนิคอินฟราเรดสเปกโทรสโกปีและเทคนิคเอกซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี จากนั้นสังเคราะห์พอลิพิร์โรลลงบนพื้นผิวของแกรฟีนเจือไนโตรเจนโดยใช้แอมโมเนียมเพอร์ซัลเฟตภายใต้คลื่นความถี่สูง เพื่อให้เกิดชั้นของพอลิพิร์โรลที่ปกคลุมพื้นผิวของแกรฟีนเจือไนโตรเจนได้อย่างสม่ำเสมอและทั่วถึง เมื่อนำแกรฟีนเจือไนโตรเจนที่เคลือบด้วยพอลิพิร์โรลที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอไปทดสอบด้วยเทคนิคกัลวาโนสแททิกชาร์จ-ดิสชาร์จพบว่าให้ค่าการเก็บประจุจำเพาะที่ดีโดยมีค่าสูงถึง 150.63 F/g ที่กระแสไฟฟ้า 1 A/g ส่วนโลหะออกไซด์ผสมเตรียมจากโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนส (KMnO4) และโคบอลต์ไนเตรตเฮกซะไฮเดรต (Co(NO3)2·6H2O) ใช้เทคนิคไฮโดรเทอร์มัลที่อุณหภูมิ 120 °C 4 ชั่วโมง ที่อัตราส่วนโดยโมลที่เท่ากัน เพื่อเปลี่ยนธาตุทั้งสองให้กลายเป็นเป็นอนุภาคของโลหะออกไซด์ผสม โลหะออกไซด์ผสมที่ได้ (MnCo2O4) มีสัณฐานวิทยาที่ดีและเกิดกลไกการเก็บประจุแบบซูโดคาร์ปาซิเทอร์ได้ดีกว่าแมงกานีสออกไซด์หรือโคบอลต์ออกไซด์ที่ใช้วิธีเดียวกันในการสังเคราะห์ และเมื่อนำแกรฟีนเจือไนโตรเจนที่เคลือบด้วยพอลิพิร์โรลมาผสมกับโลหะออกไซด์ผสม พบว่าที่อัตราส่วนร้อยละ 60 เป็นอัตราส่วนที่เหมาะสมที่สุด โดยให้ค่าการเก็บประจุสูงถึง 217.5 F/g ที่กระแสไฟฟ้า 1 A/g ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่าวัสดุที่พัฒนาขึ้นนี้สามารถนำไปประยุกต์เป็นตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่มีประสิทธิภาพสูงได้