Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
N-doped graphene/cobalt and manganese oxide/polypyrrole composites for supercapacitor application
Year (A.D.)
2017
Document Type
Thesis
First Advisor
ประณัฐ โพธิยะราช
Second Advisor
ประสิทธิ์ พัฒนะนุวัฒน์
Faculty/College
Faculty of Science (คณะวิทยาศาสตร์)
Department (if any)
Department of Material Science (ภาควิชาวัสดุศาสตร์)
Degree Name
วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต
Degree Level
ปริญญาโท
Degree Discipline
วิทยาศาสตร์พอลิเมอร์ประยุกต์และเทคโนโลยีสิ่งทอ
DOI
10.58837/CHULA.THE.2017.1275
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
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
This research aims at developing materials to be applied as high performance supercapacitors from N-doped graphene, which exploits the double-layer capacitive mechanism together with polypyrrole and mixed metal oxide utilizing the pseducapacitive mechanism. Initially, graphene was refluxed with melamine in water at 97 °C for 12 hours in order to dope graphene with nitrogen. The product was evidently confirmed as N-doped graphene using the infrared and x-ray photoelectron spectroscopies. The synthesis of polypyrrole on N-doped graphene surfaces using ammonium persulfate under ultrasonication demonstrated the obtained uniform structure through polypyrrole coating on the N-doped graphene. Thus, the uniformly distributed polymer provides an electron storage through pseudo-capacitive mechanism up to 150.63 F/g at 1 A/g using the galvanostatic charge–discharge testing method. Subsequently, the preparation of mixed metal oxide from KMnO4 and Co(NO3)2·6H2O using equivalent molar ratio via a hydrothermal technique at 120 °C for 4 hours was carried out in order to change the two metals into mixed metal oxide particles. The mixed metal oxide, MnCo2O4, showed a good morphology and better pseudo-capacitive energy storage mechanism than sole manganese oxide or cobalt oxide which was synthesized by the same method. The polypyrrole coated N-doped graphene was then mixed with the mixed metal oxide. It was found that the supercapacitor electrode with the content of 60 % by weight of manganese-cobalt oxide provides the optimal condition that gives the capacitance up to 217.50 F/g at 1 A/g. The results indicated that the developed materials can be effectively applied as supercapacitors.
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
เสมอชีพ, เวสารัช, "วัสดุเชิงประกอบแกรฟีนเจือไนโตรเจน/โคบอลต์และแมงกานีสออกไซด์/พอลิพีร์โรลสำหรับการประยุกต์เป็นตัวเก็บประจุยิ่งยวด" (2017). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 1765.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/1765