Rapid Carbothermal Shock Enhances the Double-Layer Response of Graphene Oxide–Carbon Nanotube Electrodes

石墨烯 材料科学 碳纳米管 氧化物 电极 电容 介电谱 纳米技术 超级电容器 双层电容 化学工程 电化学 化学 工程类 物理化学 冶金
作者
Jesse S. Ko,Po Yu Meng,Hadas Elazar-Mittelman,James K. Johnson,Zhiyong Xia,Scott Holdren
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:35 (21): 17919-17929 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.1c02450
摘要

Graphene oxide and carbon nanotube composites are considered to be an ideal electrode for electrochemical energy storage and conversion. Herein, we prepare electrodes via a green synthesis that yields a binderless, flexible, and free-standing electrode. To improve the performance of these electrodes comprising graphene oxide and carbon nanotubes (GO–CNT), we carry out carbothermal shock (CTS), which reduces graphene oxide in a rapid (millisecond time scale) and tunable manner (1000–2000 K). When CTS is employed, the specific capacitance of GO–CNT increases by 50%, from 30 to 45 F g–1, for reduced GO–CNT (GO–CNT_CTS). When benchmarking against activated carbon, both GO–CNT and GO–CNT_CTS outperform in terms of capacitance and rate capability. We then examine impedance spectroscopy data in the form of two-dimensional color-mapped surface plots to analyze the dependence of the real and imaginary capacitance and the phase angle as a function of both frequency and potential. This analysis provides key mechanistic insight into the electrochemical double-layer response, such as the characteristic relaxation time and charge-transfer resistance. This analysis shows that, upon CTS, the relaxation times of GO–CNT-based electrodes are 70% faster than that of activated carbon and charge-transfer resistances are reduced dramatically.
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