Layer-by-layer synthesis and an investigation of graphene based nanocomposites with metal oxide multilayers

Abstract

В работе впервые найдены условия послойного синтеза слоев нанокомпозитов, содержащих графен и оксиды (гидроксиды) меди, титана или марганца. Исследование синтезированных слоев выполнено методами сканирующей электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, ИК-Фурье спектроскопии пропускании, спектроскопии комбинационного рассеяния и дифракции рентгеновских лучей. Электрохимические свойства электродов суперконденсаторов на основе пеноникеля и синтезированных слоев изучены методами циклической вольтамперометрии и измерения гальваностатических кривых заряда-разряда. Результаты исследований указывают на образование на поверхности подложек в процессе послойного синтеза слоев нанокомпозитов, состоящих из графена и наночастиц металл-кислородных соединений, причем оксид меди в составе слоя имеет морфологию наностержней диаметром примерно 10 нм и длиной до 150 нм, а металл-кислородные соединения других металлов - как наночастиц размером от 10 и до 100 нм. Исследования электрохимических свойств суперконденсаторов с электродами на основе пеноникеля со слоями, синтезированными в результате 60 циклов наслаивания показали, что при токе заряда-разряда в 1 А/г электроды со слоями графена и металл-кислородных соединений марганца имеют емкость равную 225 Ф/г, а со слоями графена и оксида меди – 760 Ф/г.

The conditions of layer-layer synthesis of nanocomposites containing graphene and metal oxides (hydroxides) such as copper, titanium or manganese were found for the first time. The investigation of synthesized layers was performed by scanning electron microscopy, X-ray microanalysis, FTIR spectroscopy, Raman spectroscopy and X-ray diffraction. The electrochemical properties of supercapacitor electrodes based on nickel foam and synthesized layers were studied by cyclic voltammetry and galvanostatic charge-discharge measurements. The research results indicate the formation of nanocomposite layers on the surface of the substrate during layer-by-layer synthesis consisting of graphene and nanoparticles of metal-oxide compounds, furthermore, concerning morphology of copper oxide in the forming layer it was found that it is formed by nanorods with a diameter of about 10 nm and a length of 150 nm, and by nanoparticles with a size of 10 to 100 nm for the other metal-oxide compounds. Investigation of electrochemical properties of supercapacitor electrodes based on nickel foam with synthesized layers formed as a result of 60 cycles shows that electrodes with layers consisting of graphene and manganese oxide compounds and with layers containing graphene and copper oxide exhibit a capacity of 225 F/g and 760 F/g at 1 A/g, respectively.