Recyclable Conjugated Polyelectrolyte Hydrogels for Pseudocapacitor Fabrication

材料科学 自愈水凝胶 电容 超级电容器 聚电解质 假电容器 化学工程 反离子 电化学 离子 高分子化学 聚合物 有机化学 复合材料 物理化学 化学 电极 工程类
作者
Yan Jiang,Ricardo Javier Vázquez,Samantha R. McCuskey,Benjamin Rui Peng Yip,Glenn Quek,David Ohayon,Binu Kundukad,Xuehang Wang,Guillermo C. Bazan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsami.3c13137
摘要

In alignment with widespread interest in carbon neutralization and sustainable practices, we disclose that conjugated polyelectrolyte (CPE) hydrogels are a type of recyclable, electrochemically stable, and environmentally friendly pseudocapacitive material for energy storage applications. By leveraging ionic-electronic coupling in a relatively fluid medium, one finds that hydrogels prepared using a fresh batch of an anionic CPE, namely, Pris-CPE-K, exhibit a specific capacitance of 32.6 ± 6.6 F g-1 in 2 M NaCl and are capable of 80% (26.1 ± 6.5 F g-1) capacitance retention after 100,000 galvanostatic charge-discharge (GCD) cycles at a current density (J) of 10 A g-1. We note that equilibration under a constant potential prior to GCD analysis leads to the K+ counterions in the CPE exchanging with Na+ and, thus, the relevant active material Pris-CPE-Na. It is possible to remove the CPE material from the electrochemical cell via extraction with water and to carry out a simple purification through dialysis to produce a recycled material, namely Re-CPE-Na. The recycling workup has no significant detrimental impact on the electrochemical performance. Specifically, Re-CPE-Na hydrogels display an initial specific capacitance of 26.3 ± 1.2 F g-1 (at 10 A g-1) and retain 77% of the capacitance after a subsequent 100,000 GCD cycles. Characterization by NMR, FTIR, and Raman spectroscopies, together with XPS and GPC measurements, revealed no change in the structure of the backbone or side chains. However, rheological measurements gave evidence of a slight loss in G' and G''. Overall, that CPE hydrogels display recyclability argues in favor of considering them as a novel materials platform for energy storage applications within an economically viable circular recycling strategy.
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