Self-assembled high polypyrrole loading flexible paper-based electrodes for high-performance supercapacitors

聚吡咯 超级电容器 电极 材料科学 电导率 导电聚合物 导电体 纳米技术 原位聚合 比表面积 化学工程 电容 化学 聚合物 复合材料 聚合 工程类 物理化学 生物化学 催化作用
作者
Dezhe Fan,Zhiqiang Fang,Zihang Xiong,Fangbao Fu,Shuoyang Qiu,Mengzhen Yan
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:660: 555-564 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.01.031
摘要

Despite the intriguing features of freestanding flexible electronic devices, such as their binder-free nature and cost-effectiveness, the limited loading capacity of active material poses a challenge to achieving practical high-performance flexible electrodes. We propose a novel approach that integrates multiple self-assembly and in-situ polymerization techniques to fabricate a high-loading paper-based flexible electrode (MXene/Polypyrrole/Paper) with exceptional areal capacitance. The approach enables polypyrrole to form a porous conductive network structure on the surface of paper fiber through MXene grafting via hydrogen bonding and electrostatic interaction, resulting in an exceptionally high polypyrrole loading of 10.0 mg/cm2 and a conductivity of 2.03 S/cm. Moreover, MXene-modified polypyrrole paper exhibits a more homogeneous pore size distribution ranging from 5 to 50 μm and an increased specific surface area of 3.11 m2/g. Additionally, we have optimized in-situ polymerization cycles for paper-based supercapacitors, resulting in a remarkable areal capacitance of 2316 mF/cm2 (at 2 mA/cm2). The capacitance retention rate and conductivity rate maintain over 90% after undergoing 100 bends.The maximum energy density and cycling stability are characterized to be 83.6 μWh/cm2 and up to 96% retention after 10000 cycles. These results significantly outperform those previously reported for paper-based counterparts. Overall, our work presents a facile and versatile strategy for assembling high-loading, paper-based flexible supercapacitors network architecture that can be employed in developing large-scale energy storage devices.
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