3D打印|智能能量砖：通过 3D 打印在砖内进行 Ti3C2@聚合物电化学储能( 三 ) 电化学|石墨烯|机械

图3
在3D打印电极上电镀Ti3C2@PPy之前和之后（45分钟）的结构和电学研究。 a)热重分析(TGA)分析， b) XRD图， c) N2吸附-解吸等温线（插图代表孔径分布）， d）原始、活化和电沉积的基于Ti3C2@PPy的3D打印电极的电阻（提供的数据是五次重复实验结果的平均值）。
根据形态和结构特征，我们在以1 M H2SO4溶液作为电解质的三电极系统中检查了Ti3C2@PPy电沉积3Dcy电极的电化学性能（图S4a、b ，支持信息）。图S5a（支持信息）显示了原始和不同时间沉积的Ti3C2@PPy在3Dcy电极上的循环伏安（CV）图。随着电沉积时间从15分钟增加到45分钟， 3Dcy Ti3C2@PPy电极的CV积分面积增加，表明较长的电沉积时间有利于增加电容。由于采用了二维材料（Ti3C2）， 3Dcy Ti3C2@PPy电极的CV曲线具有更大的封闭面积和矩形形状，表明更好的电子转移和更大的电容。但是在Ti3C2@PPy电沉积60分钟后， 3Dcy Ti3C2@PPy电极的CV封闭面积开始减小（图S5a ，支持信息）。这是由于Ti3C2@PPy复合材料的负载和电极的电导率在60分钟电沉积后达到最大值。另一方面， 3Dcy电极表面过量的活性材料会在Ti3C2和PPy之间产生聚集，导致性能损失。图S5b（支持信息）显示了3Dcy Ti3C2@PPy电极的恒电流充放电（GCD）图，其工作窗口为-0.2至0.6 V ，电流密度为1 A g-1 。很明显，电沉积45分钟的3Dcy Ti3C2@PPy具有较长的放电时间，这意味着较大的比电容（Csp）。基于放电时间，在电沉积时间为0、15、30和45分钟后计算的3Dcy Ti3C2@PPy电极的Csp分别显示为1.73、41.15、79.7和121.03 F g-1 。此外， 3Dcy Ti3C2@PPy电极的GCD曲线与CV曲线相似，表明Ti3C2@PPy电沉积60分钟后，电化学性能下降（图S5b ，支持信息）。根据我们的发现，我们认为45分钟是最佳电沉积时间。这些优异的电化学性能肯定归功于Ti3C2@PPy杂化物的电沉积，它可以提高电导率和比表面积。
根据对单个3Dcy Ti3C2@PPy电极的研究，电沉积45分钟后沉积的Ti3C2@PPy混合层提供了最佳的总体结果；因此，相同的电沉积时间用于制备其他两种3D电极设计：3Ddc Ti3C2@PPy（图S4c ，支持信息）和3Drc Ti3C2@PPy（图S4e ， f ，支持信息）。为了证明双电极系统的高电化学性能，我们首先研究了3Ddc Ti3C2@PPy电极的电容性能。因此，我们制造了一个独立的对称固态SC ，其中两个3Ddc Ti3C2@PPy电极和F108/H2SO4水凝胶电解质夹在它们之间，如图4a和图S4d（支持信息）的插图所示。

图4
对称3D圆盘(3Ddc) Ti3C2@PPy超级电容器(SC)的电化学性能：a)不同扫描速率下的循环伏安(CV)图， b)不同电流密度下的恒电流充放电(GCD)图， c) Csp作为a电流密度的函数， d)奈奎斯特图， e)循环稳定性， f)能量密度与功率密度的Ragone图。
图4a显示了3Ddc Ti3C2@PPy SC在5到100 mV s-1的扫描速率下的CV图。 CV曲线没有显着修改，表明3Ddc Ti3C2@PPy电极具有高倍率能力和出色的电容行为。此外，当扫描速率增加时， CV曲线的面积增加，显示出优异的电容特性。图4b显示了GCD曲线的对称线性形状，表明3Ddc Ti3C2@PPy SC在0.8 V的工作电压下表现出完美的理想电容行为。图4c显示3Ddc Ti3C2@PPy SC具有更高的Csp ，为118.14 F g -1在1.5 A g-1的电流密度下，当电流密度增加两倍时，具有92.9% Csp保留（109.8 F g-1）的良好倍率容量。图4d中的奈奎斯特图表明3Ddc Ti3C2@PPy SC具有相对较小的等效串联电阻(ESR) ，为4.8 Ω ，这导致电极中的快速电子转移。此外，通过GCD对3Ddc Ti3C2@PPy SC的长期循环测试显示电流密度为5.0 A g-1 。图4e显示，在1000次和6000次GCD循环后， Csp分别保留了其初始Csp的97.8%和81.4% ，优于报道的MXene和3D打印电极。图4f显示了3Ddc Ti3C2@PPy SC的Ragone图，其中功率密度(P)和能量密度(E)的值是根据不同电流密度下的GCD曲线计算得出的。 3Ddc Ti3C2@PPy SC的E在P为150 Wkg-1 (93.7 mW cm-3)时可达到2.64 Whkg-1 (1.60 mWh cm-3) ，同时保持2.44Whkg-1 336 Wkg?1 。值得注意的是，与CoNi2S4/NiCo-LDHs/Ni/PL、PLA/nanoC、MoSx@3D-PE和MoS3-x@3DnCF等其他3D打印SC设备相比， E研究结果显示出更高的性能// Ti3C2 。表S2（支持信息）中描述了3Ddc Ti3C2@PPy SC与先前报道的3D打印SC的比较性能。