طوب تخزين الطاقة للمكثفات الفائقة PEDOT الثابتة

تعتبر Fired Brick مادة بناء عالمية ، تم إنتاجها بواسطة تقنية عمرها ألف عام ، ونادراً ما خدمت على مر التاريخ أي غرض آخر. هنا ، نقوم بتطوير تخليق كيميائي قابل للتطوير وفعال من حيث التكلفة ومتعدد الاستخدامات باستخدام لبنة مشتعلة للتحكم في البلمرة الجذرية المؤكسدة وترسب طلاء نانوفريريل من بوليمر موصل بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) (PEDOT). توفر البنية المجهرية المفتوحة للطوب المحروق والمتانة الميكانيكية ومحتوى α-Fe2O3 بنسبة 8٪ بالوزن تقريبًا ركيزة مثالية لتطوير أقطاب PEDOT الكهروكيميائية والمكثفات الفائقة الثابتة التي تتراكم بسهولة في وحدات. يعمل الإيبوكسي لمدة خمس دقائق كعلبة مقاومة للماء تتيح تشغيل المكثفات الفائقة أثناء غمرها تحت الماء ويمتد الإلكتروليت الهلامي من ثبات الدورة إلى 10000 دورة مع الاحتفاظ بالسعة بنسبة 90٪ تقريبًا.

يُعد الطوب المحروق ، المستخدم عادةً في البناء وجماليات الهندسة المعمارية ، أحد أكثر المواد متانة مع تاريخ يمتد إلى 5000 عام يعود إلى العصر الحجري الحديث في الصين 1. تم العثور على لبنة البناء هذه بشكل شائع في درجات ألوان حمراء مختلفة وتتكون في الغالب من جزيئات مدمجة من السيليكا (SiO2) والألومينا (Al2O3) والهيماتيت (α-Fe2O3) 2. ينشأ اللون الأحمر للقرميد من الهيماتيت ، وهو صبغة استخدمها البشر لأول مرة منذ 73000 عام 3،4 ويعمل اليوم كمقدمة غير عضوية منخفضة التكلفة وفيرة بشكل طبيعي للمحفزات 5 والمغناطيسات والسبائك 7. يتم أيضًا إنتاج مواد تخزين الطاقة الحديثة من الهيماتيت. على سبيل المثال ، يتم تصنيع FeNx و FeP و Li5FeO4 عبر التبادل الأنيوني أو الموجب لبطاريات أيون البوتاسيوم وبطاريات Zn-air والمكثفات الكاذبة وبطاريات الليثيوم أيون 8،9،10،11 ؛ يؤدي التحول الكهروكيميائي للهيماتيت إلى أنودات FeOOH supercapacitor.

هذا العمل مستوحى من بلمرة طور البخار المدعوم بالصدأ المنشور مؤخرًا. توفر المواد الكيميائية التي تم تمكينها بواسطة الهيماتيت فرصة لتطوير وظائف متطورة على الطوب المحروق حيث يوفر محتوى 8٪ بالوزن α-Fe2O3 وبنية مجهرية مسامية ثلاثية الأبعاد ركيزة مثالية لهندسة قطب كهربائي قوي ميكانيكيًا. هنا ، نطور مكثفًا فائقًا باستخدام بنية مجهرية للهيماتيت من الطوب كمفاعل متفاعل لترسيب بخار طلاء ليفي نانوي لبوليمر موصل بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) (PEDOT). يؤدي تخليق الطور البخاري إلى ظهور طلاء PEDOT بموصلية إلكترونية عالية 14 ونقل شحنة سهلة ، مما يجعله طريقًا مثاليًا لإنتاج الأقطاب الكهربائية. يستخدم هذا التخليق البنية المجهرية المفتوحة للقرميد والاستقرار الحراري لاختراق الحمض وبخار المونومر عبر مسامها عند 160 درجة مئوية للتحكم في انحلال α-Fe2O3 والتحلل المائي Fe3 + مع البلمرة الجذرية المؤكسدة المصاحبة.

يُظهر المكثف الفائق المتماثل القائم على الطوب سعة مساحية تبلغ 1.60 فهرنهايت سم 2 وكثافة طاقة تبلغ 222 ميكرون في الساعة سم − 2 بكثافة حالية تبلغ 0.5 مللي أمبير سم − 2. يتم جمع هذا القياس القائم على قطبين باستخدام محلول مائي 1 م H2SO4 تحت نافذة جهد تشغيل 1 فولت. لتقليد بنية “لبنة-هاون” ، يتم تعديل المكثف الفائق باستخدام إلكتروليت شبه صلب (بولي (كحول فينيل) / 1 م H2SO4) الذي يلعب أيضًا دور الموثق والفاصل. أجهزتنا مقاومة للماء لأنها مغلفة بطبقة تغليف إيبوكسي تحميها مما يتيح تخزين الشحن في درجات حرارة تتراوح بين -20 و 60 درجة مئوية. المكثف الفائق مستقر في الظروف المحيطة التي تخضع لـ 10000 دورة شحن وتفريغ مع كفاءة كولوم 100٪ تقريبًا و 90٪ احتفاظ بالسعة. علاوة على ذلك ، يتم إنتاج وحدة طوب ذات مكثف فائق تصل إلى نافذة جهد 3.6 فولت عن طريق توصيل ثلاثة أجهزة في سلسلة.

تحويل α-Fe2O3 من الطوب المحروق إلى طلاء PEDOT
يبدأ ترسيب الألياف النانوية PEDOT عن طريق إذابة α-Fe2O3 عند 160 درجة مئوية مع بخار حمض الهيدروكلوريك ؛ هذه العملية تحرر Fe3 + أيونات ، وتعزز التحلل المائي وتبدأ ترسيب نوى 1D FeOOH الغروية . كما تم الإبلاغ عنه سابقًا ، تعمل نوى FeOOH المذابة جزئيًا والتي تعمل كقوالب على أكسدة بخار مونومر 3،4 إيثيلين ديوكسي ثيوفين (EDOT) وتتحكم في البلمرة الجذرية المؤكسدة. يؤدي التحكم في كل من قياس العناصر المتفاعلة ووقت التفاعل إلى طلاء PEDOT بسماكات مختلفة (الشكل 1 ب). نتقدم بالنتائج السابقة من خلال إثبات أن التوليف يستخدم اثنين من محفزات البلمرة المحتملة ، أي المؤكسد (Fe3 +) والحمض (HCl) حيث يؤدي الأول إلى البلمرة الجذرية المؤكسدة والأخير ، إلى البلمرة المحفزة بالحمض (الشكل التكميلي 1). . نحن نتحكم بسهولة في آلية البلمرة حيث أن البلمرة المحفزة بالحمض تنتج عادةً أوليغومرات غير موصلة تنبع من إنهاء السلسلة النشطة. يتم تصنيع PEDOT فقط عبر بولي جذري مؤكسد

يُظهر ymerization طول اقتران طويل ، وتعبئة سلسلة مرتبة ، ومقاومة كهربائية منخفضة ، فضلاً عن ثبات كيميائي وفيزيائي عالي.

ترسب طلاء نانوفيبيرلار PEDOT على الطوب.
أ في تفاعل من خطوة واحدة ، يتم إذابة البنية المجهرية للقرميد α-Fe2O3 جزئيًا بواسطة بخار الحمض لتحرير Fe3 + ، وتعزيز التحلل المائي وترسيب مغازل FeOOH التي تتحكم في بلمرة الأكسدة الجذرية. كما تم الإبلاغ عنه سابقًا ، يتفاعل بخار المونومر مع نوى FeOOH المذابة جزئيًا مما يؤدي إلى نمو اتجاهي تفضيلي لألياف PEDOT النانوية بنسبة عرض إلى ارتفاع عالية. ب يتم التحكم في سماكة طلاء PEDOT عن طريق وقت التفاعل وقياس العناصر المتكافئة مما يتيح التفاعل لتوليد الطوب المطلي بـ PEDOT المبلمر السطحي (بنية أساسية / هيكلية) أو طوب مبلمر بالكامل (بنية PEDOT متجانسة). ج يوضح مخطط التفاعل التنافس بين البلمرة المحفزة بالحمض وآليات البلمرة الجذرية المؤكسدة الموجودة في تفاعلاتنا.

في آلية البلمرة الخاصة بنا ، يحدد تركيز الحمض كلاً من معدل الذوبان والمسارات التركيبية. يعمل تركيز H + العالي على تسهيل تحرير Fe3 بالإضافة إلى البلمرة الجذرية المؤكسدة مع تعزيز البلمرة المحفزة بالحمض والتي تستهلك EDOT وتؤدي إلى PEDOT بطول اقتران منخفض (الشكل 1 ج). لاستكشاف تأثير تركيز H + ، يتم إضافة أحجام مختلفة من حمض الهيدروكلوريك المركز إلى المفاعل ويتم حساب تركيز بخار حمض الهيدروكلوريك بقسمة مولات حمض الهيدروكلوريك على حجم المفاعل (بافتراض التبخر الكلي). يؤدي استخدام تركيز بخار حمض الهيدروكلوريك أقل من 4.8 ملي مولار إلى تفاعل غير كامل لأن كلا من البلمرة الجذرية المؤكسدة والبلمرة المحفزة بالحمض يعوقان (الشكل التكميلي 2 أ). زيادة التركيز إلى 14 ملي مولار يحرر Fe3 + ويعزز البلمرة الجذرية المؤكسدة مما يؤدي إلى PEDOT من المقاومة الكهربائية المنخفضة ، في حين أن التركيزات التي تزيد عن 14 ملي مولار تنشط مسار البلمرة المحفز بالحمض مما يؤدي إلى تفاعلات غير خاضعة للرقابة (الشكل التكميلي 2 ب). عندما تهيمن البلمرة الجذرية المؤكسدة ، يحدد تركيز بخار EDOT سمك طلاء البوليمر ومقاومته الكهربائية (الشكل التكميلي 2 أ ، ج).

يبدأ التخليق عندما يتم تسخين الطوب والمواد الكيميائية المتفاعلة معًا في وعاء مغلق ؛ تتم مراقبة التغيرات الكيميائية والفيزيائية على الطوب عن طريق جمع عينات من قسامات على فترات زمنية مختلفة. والجدير بالذكر أنه لا يوجد تغيير في اللون على سطح الطوب الأحمر خلال أول 4 ساعات من التفاعل لأن انحلال الطوب هو الخطوة المحددة للمعدل في آليتنا التركيبية المختلطة التي تتكون من (1) التبخر ، (2) الذوبان ، (3) التحلل المائي و (4) البلمرة. يظهر طلاء PEDOT الأزرق على الطوب بعد 4 ساعات من بدء التفاعل ويزيد سمكه عكسياً مع المقاومة الكهربائية حتى نهاية التفاعل عند 14 ساعة. يزيد وقت البلمرة الممتد من المقاومة الكهربائية للمسبار المكون من نقطتين لطلاء البوليمر (الشكل التكميلي 2 د) لأن PEDOT يفقد التثبيط أثناء التسخين ؛ لحسن الحظ ، فإن المنشطات بعد التخليق تقلل من المقاومة الكهربائية. ينتج توليفنا طلاء PEDOT بسماكة 400 ميكرومتر (2.8 بالوزن ٪) يعرض مقاومة كهربائية بمسبار ثنائي النقطتين وألياف نانوية تتميز بطول حوالي 30 ميكرومتر وقطر 190 نانومتر (الشكل التكميلي 3 أ-د). يتكون البوليمر ، المنقى عن طريق الشطف المتكرر في الميثانول ، من S ، C ، O ، ومخدر بواسطة Cl في الموقع أثناء البلمرة كما هو موضح في أطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (الشكل التكميلي 3 هـ).

توليفنا عام وقابل للتطبيق على أنواع مختلفة من الطوب. هنا ، يتم فحص ثلاثة أنواع من الطوب (النوع 1-3) بأحجام مختلفة من الحصى (SiO2) ومسامية (الشكل 2). يُظهر الطوب من النوع 1 البنية المجهرية الأكثر انفتاحًا (الشكل 2 أ) التي تسهل انتشار بخار الكاشف ، وبالتالي تُستخدم في دراسة التوليف في الشكل 1 والتين التكميلي. 1-3. يظهر حيود مسحوق الأشعة السينية للطوب المسحوق من النوع 1 أن SiO2 هي المرحلة الرئيسية بينما α-Fe2O3 و Al2O3 هي مراحل ثانوية (الشكل 2 ج). تمتلك هذه الأنواع الثلاثة من الطوب تركيبة غير عضوية وتركيز متشابهين كما هو موضح في أنماط حيود مسحوق الأشعة السينية (الشكل 2 د). تنبع اختلافات المسامية بين أنواع الطوب من أحجام الحصى المختلفة ومتغيرات التصنيع مثل محتوى الماء قبل التلبيد ودرجة حرارة التلبيد ومدته. ينتج عن تخليق الطور البخاري طلاء بوليمر متجاور فوق سطح القرميد بأكمله لأن الذوبان يولد طبقة Fe3 + مائية تغطي مواقع الحصى الخاملة. تحت قياسات متكافئة متطابقة والوقت ، تغلف الألياف النانوية PEDOT ذات نسبة العرض إلى الارتفاع جميع أنواع الطوب بشكل متجانس (الشكل 2 ب). تقنية طلاء البوليمر الخاصة بنا قابلة للتطوير (الشكل 2 هـ) وقابلة للنقش (الشكل التكميلي 4 أ) كما هو موضح باستخدام النوع 1 من الطوب. تُظهر الطلاءات Nanofibrillar PEDOT على جميع أنواع الطوب منحنيات التيار الخطي والجهد مع المنحدرات التي تشير إلى السلوكيات الأومية وما شابهها

المقاومات rical (~ 7) (الشكل 3 أ). لاحظ أن قياس متعدد النقطتين للمسبار يؤدي إلى قيمة أقل (2Ω) بسبب قطر طرف عريض يقلل مقاومة التلامس.

طلاء نانوفيبيرلار بيدوت على أنواع مختلفة من الطوب.
(أ) ثلاثة أنواع من الطوب الأحمر مستخدمة في التوليف. تظهر جميع الأنواع لونًا أحمر برتقاليًا متجانسًا تحت المجهر الضوئي ، مما يشير إلى توزيع موحد لـ α-Fe2O3. تظهر البقع البيضاء على الطوب (الجزء العلوي الأيسر الداخلي) زيادة أحجام الحصى (SiO2) من النوع 1 إلى النوع 3. تُظهر الصور المجهرية لمسح الإلكترون مسامية مختلفة لهذه الأنواع الثلاثة من الطوب مع تناقص أحجام المسام من النوع 1 إلى النوع 3. ب بعد التوليف ، يتم تغليف جميع أنواع الطوب بشكل متجانس بواسطة ألياف نانوية PEDOT ذات نسبة عرض إلى ارتفاع مماثلة. ج يُظهر نمط حيود مسحوق الأشعة السينية للقرميد من النوع 1 تركيبة تتألف من SiO2 و α-Fe2O3 و Al2O3. د يظهر الطوب من النوع 2 والنوع 3 أنماطًا ومكونات بلورية متشابهة. الذروة الأكثر حدة والأقوى عند 2θ = 28 درجة من الطوب من النوع 2 ترجع إلى ارتفاع محتوى Al2O3 أو تبلورها. ه التوليف قابل للتطوير للطوب بحجم ديسيمتر.

تحليل طلاء PEDOT على طوب مختلف.
تُظهر منحنيات التيار والجهد الخطي السلوكيات الأومية لطلاءات PEDOT ذات الألياف النانوية التي تمتلك مقاومات مماثلة. ب تتيح تجارب امتصاص الماء على الطوب دراسة بنية المسام المفتوحة ، وتظهر جميع الطوب تغييرات طفيفة في امتصاص الماء بعد طلاء PEDOT مع الطوب من النوع 1 الذي يمتص معظم الماء بسبب المسامية العالية. ج يُظهر طلاء PEDOT الليفي النانوي التصاقًا فائقًا على الطوب من النوع 1 مقابل الأنواع الأخرى أثناء اختبارات الشريط الاسكتلندي. لسوء الحظ ، فإن المنتج التجاري PEDOT: بولي (ستيرين سلفونات) ينفصل تمامًا بعد الطلاء على الطوب من النوع 1. د تُظهر الصور المجهرية الإلكترونية للمسح المقطعي المستعرض شبكة PEDOT المدمجة في لبنة من النوع 1 مما يؤدي إلى التصاق PEDOT القوي. يُظهر الطوب من النوع 2 (هـ) والنوع 3 (و) حدودًا مميزة بين PEDOT والطوب المعرضين للفصل.

من أجل دراسة تأثير طلاء البوليمر على مسامية الطوب ، يتم إجراء تجارب امتصاص الماء قبل وبعد التوليف. يمتص الطوب من النوع 1 المطلي بـ PEDOT معظم وزن الماء بين الأنواع الثلاثة من الطوب المطلي بالبوليمر بسبب هيكل المسام المفتوح وحجم وحجم المسام الكبير (الشكل 2 أ). يُظهر طلاء PEDOT النانوي الليفي على الطوب من النوع 1 الحد الأدنى من التشويه عن طريق اختبارات شريط سكوتش بينما يتقشر طلاء المنتج التجاري PEDOT: بولي (ستيرين سلفونات) بسهولة وبشكل كامل. لاحظ أن كلا من الطوب من النوع 2 والنوع 3 يُظهر تشويهًا جزئيًا (الشكل 3 ج) لطلاء البوليمر الخاص بنا بسبب بنية مجهرية شبه مغلقة من الطوب (الشكل 2 أ) والتي تعيق انتشار متفاعل البخار (الشكل 3 هـ ، و). تكشف الصور المجهرية الإلكترونية للمسح المقطعي المستعرض تغلغل PEDOT ضعيفًا في مسام الطوب ، وهذا يؤدي إلى طلاء موضعي للسطح مع الحد الأدنى من التثبيت الذي يكون عرضة للفصل. لحسن الحظ ، تتيح البنية المجهرية المفتوحة من النوع 1 لبنة من نشر بخار الكاشف إنتاج تطعيم PEDOT في الموقع ؛ يتم تضمين طلاء البوليمر الليفي النانوي كشبكة عبر المسام مما يؤدي إلى التصاق قوي (الشكل ثلاثي الأبعاد). تتيح إضافة جزيئات α-Fe2O3 ترسيب طلاء PEDOT على ركائز مخصصة مثل أرضيات الطرق الخرسانية (الشكل التكميلي 4 ب) والخرسانة البيضاء القائمة على بورتلاند (الشكل التكميلي 4 ج).

نانوفيبريلار قطب كهربائي الكهروكيميائي المغلف PEDOT
نقدم ملخصًا للهندسات وتحميلات الكتلة للأقطاب الكهربائية والأجهزة في الجدول التكميلي 1 بينما تظهر السعات المساحية ، والجاذبية ، والسعة الحجمية ، وكثافة الطاقة والطاقة في الجدول التكميلي 2 (الحسابات بالتفصيل مدرجة في قسم “الطرق التكميلية”). نختار المقاييس المساحية لتقييم الأقطاب الكهربائية والأجهزة الخاصة بنا لأن المنطقة هي معلمة عملية لتقييم المكثف الفائق القائم على الطوب والذي يشبه الجدار ويرتبط ارتباطًا مباشرًا بطلاء البوليمر الرقيق (الشكل التكميلي 5) الموجود على الحائط. تسهل المقاييس المساحية تقدير السعة وكثافة الطاقة التي يوفرها جدار من الطوب (مناقشة تكميلية).

يتم تصنيع طوب 1 سم × 0.5 سم × 0.28 سم نانوفريلار من النوع 1 (0.14 سم 3) وزنه 249 مجم ويحمل 6.97 مجم PEDOT في قطب كهربائي مع وجه واحد مكشوف 1 سم × 0.5 سم (الشكل 4 أ). عند حساب المقاييس المساحية ، نستخدم مساحة الوجه المعرضة للكهارل (0.5 سم 2). يعرض القطب الكهربائي صورة دائرية ثلاثية الأقطاب على شكل شبه مستطيل وسعة قدرها 2.61 فهرنهايت سم − 2 (187 فهرنهايت جم 1 استنادًا إلى كتلة PEDOT) عند 2 مللي فولت ث − 1 في 1 م H2SO4 (الشكل 4 ب). يتيح معدل المسح المنخفض البالغ 2 مللي فولت في الثانية وقتًا كافيًا لنقل الشحنة في القطب السميك لحساب السعة القصوى وكثافة الطاقة. نحن نلخص السعات التي تم الحصول عليها بمعدلات مسح من 2 إلى 100 mV s 1 في الشكل التكميلي 6 أ. ينشأ زوج Fe3 + / Fe2 + الأكسدة والاختزال عند 0.37 فولت و 0.49 فولت (مقابل Ag / AgCl) بسبب الحديد

الأنواع الموجودة في الطوب وتختفي مع زيادة معدل المسح إلى 25 mV s 1 لأن عمليات Faradaic في PEDOT أسرع من تلك التي تحدث من Fe2O3 الصلب (الشكل 4 ج داخلي). تُظهر اختبارات أداء المعدل السلوك السعوي حيث يزيد معدل المسح إلى 100 مللي فولت في الثانية ؛ ومع ذلك ، بسبب النقل المحدود للشحنة ، يتغير المنحنى إلى الشكل المغزلي (الشكل 4 ج). السعة تعتمد أيضًا على المنحل بالكهرباء المائي ويؤدي حمض الكبريتيك إلى سعة أكبر (1.64 فهرنهايت سم − 2) من كبريتات الصوديوم (0.878 فهرنهايت سم − 2) عند 25 ملي فولت ثانية − 1 (الشكل 4 د). هذا الاختلاف الجذري يرجع بشكل معقول إلى الحركة الأيونية الأعلى في H + (36.23 × 10−8 متر مربع فولت − 1 ثانية − 1) مقابل Na + (5.19 × 10−8 متر مربع V − 1 ثانية − 1) أو مقاومة كهربائية أقل ناتجة عن المنشطات عند انخفاض درجة الحموضة 14. لقد بحثنا في هذا السلوك أيضًا باستخدام التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية. توضح مخططات Nyquist ومخطط الدائرة المكافئ مقاومة انتشار أيون أقل بكثير لـ H2SO4 (1.7) مقابل Na2SO4 (4.6Ω) وأقل تغير في المقاومة الكهربائية لمواد القطب عند درجة حموضة منخفضة (الشكل 4 هـ). لاختبار تأثير المنحل بالكهرباء الحمضي على الأنواع غير العضوية من الطوب ، نقوم بسحق وتجانس كامل قطب الطوب المغطى بالبوليمر باستخدام الملاط والمدقة. يتم إجراء حيود المسحوق بالأشعة السينية قبل وبعد تدوير الأقطاب الكهربائية في 1 م H2SO4 باستخدام معدلات مسح متتابعة تبلغ 2 و 5 و 10 و 25 و 50 و 100 مللي فولت في الثانية (10 دورات لكل منهما). تظل أنماط الحيود دون تغيير مما يدل على أن معظم الأنواع غير العضوية في الطوب تظل غير متأثرة بالتوليف والدورة الكهروكيميائية (الشكل 4f).

توصيف ثلاثي الأقطاب للطوب النانوي المطلي بـ PEDOT.
يتم توصيل طوب من النوع 1 نانوفيبريلار المطلي بـ PEDOT (1 سم × 0.5 سم × 0.28 سم) بسلك تيار Pt باستخدام شريط بوليميد يعرض وجهًا 1 سم × 0.5 سم للإلكتروليت. ب يظهر الفولتموجرام الدوري عند 2 mV s 1 شكلًا شبه مستطيل ينبع من السلوك السعوي لـ PEDOT مع قمم زوج Fe3 + / Fe2 + الأكسدة والاختزال عند 0.37 و 0.49 فولت (مقابل Ag / AgCl). ج تختفي قمم Fe3 + / Fe2 + الأكسدة والاختزال عندما يزيد معدل المسح إلى 25 مللي فولت في الثانية. د يُظهر القطب منطقة منحنى أصغر لـ 1 M Na2SO4 بالكهرباء مقارنة بـ 1 M H2SO4 ، مما يشير إلى السعة المنخفضة. تُظهر مخططات Nyquist التي تم جمعها باستخدام إلكتروليتات مختلفة (يُظهر الشكل الداخلي مخططًا مكافئًا للدائرة) تركيبًا (خطوطًا صلبة) مقابل البيانات التجريبية (نقاط منفصلة). f يُظهر حيود المسحوق بالأشعة السينية أنماطًا متطابقة للقرميد من النوع 1 الأصلي مقابل الطوب من النوع 1 المطلي بـ PEDOT بعد التدوير في 1 M H2SO4 بين −0.2 و 0.8 V (مقابل Ag / AgCl) بمعدلات مسح تبلغ 2 ، 5 ، 10 و 25 و 50 و 100 مللي فولت ث − 1 (10 دورات لكل منهما).

لتحديد كمية انحلال α-Fe2O3 و Al2O3 من الطوب بمقدار 1 M H2SO4 ، نقوم بإجراء مطياف كتلة البلازما المقترنة الاستقرائي على المنحل بالكهرباء بعد تجارب ركوب الدراجات (الشكل التكميلي 6 ب ، ج). لإجراء حساب دقيق ، نتحكم في حجم المنحل بالكهرباء (5 مل) وكتلة القطب (249 مجم). يُظهر التحليل تركيزات ضئيلة من Fe (4.44 ميكروغرام مل) و Al (1.97 ميكروغرام مل) في المنحل بالكهرباء بعد التدوير ، هذه التركيزات تعادل فقد الكتلة (بناءً على الطوب بأكمله) من 0.0127 و 0.0075 بالوزن٪ لـ α -Fe2O3 و Al2O3 على التوالي. تؤكد هذه النتائج أنه يتم الحفاظ على الأنواع غير العضوية في الطوب بعد ركوب الدراجات الكهروكيميائية.

مكثف فائق من الطوب النانوي المطلي بـ PEDOT
يعمل اثنان من الطوب nanofibrillar المغلف بـ PEDOT (1 سم × 0.5 سم × 0.28 سم) كأقطاب كهربائية في مكثف فائق متماثل (1 سم × 0.5 سم × 0.5625 سم) باستخدام محلول مائي 1 م H2SO4 (الشكل 5 أ الصف العلوي والشكل التكميلي 7 أ. ). يتكون الجهاز من حجم (0.28 سم 3) يشتمل على قطعتين مغطى بـ PEDOT وفاصل وكتلته الإجمالية (499 مجم) تشتمل على 13.94 مجم من PEDOT. تُظهر مؤامرة Nyquist مقاومة داخلية مجمعة بمقدار 3 وخطًا بميل 45 درجة تقريبًا بين نصف دائرة ومجال التردد المنخفض (منطقة واربورغ) (الشكل التكميلي 7 ب). هذا الخط هو سمة من سمات الأقطاب الكهربائية السميكة حيث يخنق المسار الملتوي انتشار الأيونات. في منطقة التردد المنخفض ، يميل المنحنى إلى تكوين قوس بسبب مقاومة انتشار Nernst لـ H + و SO42 في المنحل بالكهرباء ؛ ينبع هذا بشكل معقول من زيادة مسافة انتشار الأيونات الناتجة عن فجوة فصل بين الأنود والكاثود. يُظهر الفولتاموجرام الدوري شكلاً شبه مستطيل بين 0 و 1 فولت (تم جمعه عند 2 مللي فولت ثانية − 1) مما يؤدي إلى سعة مساحة للجهاز تبلغ 1.59 فهرنهايت سم − 2 محسوبة باستخدام منطقة القطب الكهربي مباشرة الملامسة للفاصل (0.5 سم 2) (الشكل . 5 ب ، المنحنى الأسود والشكل التكميلي 7 ج). في أجهزتنا ، يغطي طلاء PEDOT الليفي النانوي جميع الوجوه الستة للقرميد ، وجهان من الوجوه الأكبر (1 سم × 0.5 سم) موجهان نحو بعضهما البعض وأثناء ركوب الدراجات ، تنتقل الأيونات عبر مسام الطوب الداخلية مما يؤدي إلى مساهمة كهروكيميائية بواسطة الوجوه الأخرى. وبالتالي فإن المقاييس المساحية للمكثف الفائق بالكهرباء المائي تعتبر نوعية.

طوب نانوفيبيرلار PEDOT المغلف بالمكثفات الفائقة.
يعرض e supercapacitor مواقع تخزين الشحن المختلفة. يمثل خط الشرطة السوداء في جهاز الإلكتروليت المائي فاصلًا. (ب) مخططات الفولتاموجرام الدورية للمكثفات الفائقة المتماثلة باستخدام إلكتروليت مائي 1 مولار H2SO4 وبولي (كحول فينيل) / H2SO4 هلام المنحل بالكهرباء. ج ملامح الشحنة والتفريغ الجلفانيستاتيكي لجهاز شبه الصلب بكثافة حالية تتراوح بين 0.5 و 25 مللي أمبير سم 2 ؛ المنحنيات عند 1 و 5 و 10 و 25 مللي أمبير سم − 2 يتم توسيعها أفقيًا بمقدار 2 × و 10 × و 15 × و 20 × على التوالي. يظهر الشكل الداخلي انخفاضًا في الأشعة تحت الحمراء عند الكثافات الحالية البالغة 5 و 10 و 25 مللي أمبير سم 2. د تظهر منحنيات الشحن والتفريغ ذات الحالة الفائقة شبه الصلبة بعد 10000 دورة عند 5 و 25 مللي أمبير سم احتفاظًا بالسعة بنسبة 87٪ و 90٪ ، على التوالي (تبلغ الكفاءة الكولومبية حوالي 100٪). e يتم جمع مخططات الفولتاموجرام الدورية لمكثف فائق الحالة شبه صلب واحد عند نوافذ الجهد من 1 و 1.2 فولت ؛ جهاز ترادفي (يتكون من ثلاثة مكثفات فائقة متصلة في سلسلة) يقاوم نافذة 3.6 فولت. الجهاز الترادفي مقاوم للماء بعد تغطيته بالإيبوكسي ويعرض صورة ثاموجرام دورية ثابتة. تُظهر الصورة الفوتوغرافية وحدة مكثف فائق تضيء الصمام الثنائي الباعث للضوء الأخضر. يحتوي هذا الجهاز الترادفي (4 سم × 3 سم × 1 سم) على ثلاثة مكثفات فائقة (4 سم × 1 سم × 1 سم) متصلة في سلسلة ؛ كما يتم عرض البنية الأساسية والصدفة للقطب الكهربي.

يمتلك المكثف الفائق لدينا مقاومة داخلية منخفضة مما يؤدي إلى انخفاض منخفض في الأشعة تحت الحمراء (0.01 فولت) أثناء تجارب تفريغ الشحن الجلفاني عند 0.5 مللي أمبير سم − 2 كثافة التيار في نافذة 1 فولت (الشكل التكميلي 7 د). توضح هذه المنحنيات سعة مساحة للجهاز تبلغ 1.60 فهرنهايت سم 2 (2.84 فهرنهايت سم -3 للحجم) بالإضافة إلى طاقة المساحة وكثافة الطاقة البالغة 222 و 0.25 ميغاواط سم − 2 ، على التوالي (394 ميغاواط في الساعة سم 3 و 0.44 ميغاواط سم. −3 للحجم). يتم الحصول على كثافة طاقة عالية (12.5 ميغاواط سم − 2) بكثافة حالية تبلغ 25 مللي أمبير سم − 2 وإن كان ذلك مع انخفاض السعة (0.706 فهرنهايت سم − 2) وكثافة الطاقة (98 ميغاواط / سم 2) لأن نقل الأيونات في قطبنا الكهربائي السميك محدود (يتضح من انخفاض عالٍ للأشعة تحت الحمراء بمقدار 0.4 فولت). يعمل أجهزتنا في نافذة جهد ممتد (1.2 فولت) تؤدي إلى تصوير الفولتموجرام الدوري ومنحنيات الشحن والتفريغ الجلفانية التي تحتفظ بالشكل (الشكل التكميلي 7 هـ ، و). ومع ذلك ، فإن انخفاض الأشعة تحت الحمراء المتزايد (0.07 فولت) عند 1.2 فولت يقلل من كفاءة الكولومبية وكذلك استقرار ركوب الدراجات على المدى الطويل مما يؤدي إلى انخفاض السعة مقابل 1 فولت (الشكل التكميلي 7 ز ، ح). كثافة الطاقة عند 1.2 فولت أعلى من 1 فولت كما هو موضح في مخطط راجون (الشكل التكميلي 7i) لأن نافذة الجهد الأوسع تسمح للجهاز بتخزين المزيد من الشحنة (المعادلة التكميلية 7 من قسم “الطرق التكميلية”). يؤدي توصيل ثلاثة أجهزة متسلسلة إلى زيادة نافذة الجهد إلى 3.6 فولت ، وهذا أيضًا يضاعف المقاومة الداخلية ثلاث مرات ويقلل تيار الخرج إلى الثلث (الشكل التكميلي 8 أ). يصل الجهاز الترادفي إلى جهد خرج يبلغ 2.685 فولت (مشحون عند 4.5 فولت لمدة 15 ثانية) ويضيء الصمام الثنائي الباعث للضوء الأبيض لمدة 11 دقيقة. ينخفض جهد الخرج إلى نفس مستوى جهد تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء (2.546 فولت) بعد التفريغ لمدة 214 ثانية (الشكل التكميلي 8 ب-د والفيلم التكميلي 1).

المكثف الفائق للطوب المطلي بـ PEDOT شبه الصلب
لتقليل تسرب الإلكتروليت ، نقوم بتطوير مكثف فائق متماثل (1 سم × 0.5 سم × 0.63 سم) باستخدام بولي (كحول فينيل) / 1 م H2SO4 هلام الذي يربط الطوب المطلي بـ PEDOT ويعمل كإلكتروليت وفاصل (الشكل 5 أ الصف السفلي والشكل التكميلي 9 أ). تمنع طبقة الإلكتروليت الهلامية (سمكها 0.7 مم) الطوب (1 سم × 0.5 سم × 0.28 سم) من قصر الدائرة وتؤدي إلى تعزيز الالتصاق بين الأقطاب الكهربائية. يبلغ حجم المكثف الفائق من نوع السندويتش 0.32 سم 3 ووزنه 518 مجم (يتضمن كتلة من الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت) يحتوي على 13.94 مجم من PEDOT. في اختبار الشد ، يقاوم هيكل الإلكترود – الجل – القطب قوة قص تساوي 1000 ضعف وزن الجهاز (الشكل التكميلي 9 ب). يعزز التلامس الحميم بين الهلام والألياف النانوية PEDOT نقل الشحنة مما يؤدي إلى مقاومة داخلية منخفضة (2.5) ومخطط Nyquist الخطي (الشكل التكميلي 9 ج). يتم حساب السعة المساحية للجهاز (0.868 فهرنهايت سم − 2) وكثافة الطاقة المساحية (121 ميكرون في الساعة سم − 2) الناشئة من أقطاب من الطوب المغلف بـ PEDOT من منحنيات الشحن والتفريغ الجلفانيستاتيكي (1.38 فهرنهايت سم 3 و 192 ميكرومتر في الساعة سم − 3 للقياس الحجمي ، جمعت عند 0.5 مللي أمبير سم − 2) ؛ تُظهر صور الفولتاموجرام الدورية أيضًا سلوكًا سعويًا (الشكل 5 ب ، ج ، الشكل التكميلي 9 د-ز). يشير عدم وجود ذروة الأكسدة والاختزال من الفولتموجرام الدوري إلى مساهمة ضئيلة من α-Fe2O3 الموجود في الطوب لتخزين الطاقة. يؤدي إلكتروليت الهلام إلى انخفاض السعة المساحية وكثافة الطاقة بنسبة 50٪ مقارنة بالإلكتروليت المائي بسبب حركيات نفاذ الهلام الخانقة في جميع أنحاء القطب التي تمنع وصول الأيونات إلى جميع الوجوه المطلية بـ PEDOT غير المحصورة (الشكل 5 أ ، الشكل التكميلي 9 ح).

إن التعرض في الهواء الطلق أمر لا مفر منه بالنسبة للمكثف الفائق الثابت ، ويوفر تغليف الإيبوكسي غلافًا فعالاً من حيث التكلفة وقويًا ميكانيكيًا ومقاوم للماء. سوبر كاباسيتو مغلف بالإيبوكسي

يحتفظ r بحوالي 90٪ من السعة الأصلية ويظهر كفاءة كولومبية بنسبة 100٪ بعد 10000 دورة شحن وتفريغ (جمعت عند 25 مللي أمبير سم − 2) (الشكل 5 د ، منحنيات حمراء). يمنع طلاء الإيبوكسي هذا لمدة 5 دقائق تبخر الماء من شبكة الترشيح الأيوني المائي للهلام (الشكل التكميلي 10 أ) مما يتيح 10000 دورة شحن وتفريغ عند 5 مللي أمبير سم (640 ساعة من التشغيل المستمر) مع الاحتفاظ بالسعة بنسبة 87 ٪ تقريبًا (الشكل. 5d ، منحنيات سوداء). يتيح الإلكتروليت الهلامي والتغليف إمكانية التشغيل في درجات حرارة تتراوح بين -20 و 60 درجة مئوية (يغطي هذا النطاق معظم درجات الحرارة في الهواء الطلق) كما هو موضح في مخططات الفولتاموجرام الدورية ومخططات نيكويست (الشكل التكميلي 10 ب ، ج). تزداد السعة بشكل متناسب مع درجة الحرارة بسبب النقل الأيوني المعزز ؛ تظل PEDOT بالسعة بعد دورات التبريد بالتسخين القابلة للانعكاس المتكررة (الشكل التكميلي 10 د). تؤدي درجات الحرارة التي تقل عن -20 درجة مئوية أو أعلى من 60 درجة مئوية إلى تجمد كبير أو تبخر الماء من المحلول الكهربائي الهلامي مما يؤدي إلى أداء كهربائي غير مستقر وكسر ختم الإيبوكسي.

الايبوكسي يجعل وحدة المكثف الفائق ثابتة مقاومة للماء. يتم إغلاق ثلاثة مكثفات فائقة الحالة صلبة في أقراص إيبوكسي (الشكل التكميلي 9 أ) ومتصلة في سلسلة بواسطة أسلاك كهربائية. هذه الوحدة بأكملها (بما في ذلك نقاط الاتصال) مغلفة بطبقة أخرى من الايبوكسي تترك فقط الكاثود والأنود مكشوفين. بعد المعالجة بالإيبوكسي ، تُغمر الوحدة بأكملها في الماء باستثناء اثنين من خيوط الإلكترود ويتم تدويرها كهربيًا (الدائرة الكهربائية الموضحة في الشكل 5 هـ الداخلي والشكل التكميلي 10 هـ). تُظهر الصور الفولتامية الدورية للوحدة (الشكل 5 هـ) التي تم جمعها أثناء الغمر سلوكًا مستقرًا مطابقًا لاختبارات ما قبل الغمر. يشحن الجهاز إلى 3 فولت في 10 ثوانٍ أثناء غمره في الماء ويضيء الصمام الثنائي الباعث للضوء الأخضر (جهد أمامي 2.155 فولت) لمدة 10 دقائق تقريبًا (الشكل التكميلي 10 هـ ، و). يعمل الإلكتروليت الهلامي وتقنية الترسيب الخاصة بنا على تمكين التوسع كما هو موضح من خلال توصيل ستة أقطاب من الطوب النانوية المطلية بـ PEDOT (2 سم 1 سم ⨯ 1 سم) في سلسلة مما ينتج عنه وحدة مكثف فائقة تشحن إلى 3 فولت في 5 ثوانٍ تضيء بسهولة الصمام الثنائي الباعث للضوء الأخضر (الشكل 5f ، الشكل التكميلي 11). والجدير بالذكر أن جدارًا من الطوب تم تشييده باستخدام الطوب النانوي المطلي بـ PEDOT لديه القدرة على توفير سعة قصوى للجهاز تبلغ 11.5 كيلو فهرنهايت · م 2 وكثافة طاقة تبلغ 1.61 واط · م · 2 (الشكل التكميلي 12 ؛ مناقشة تكميلية).

يوضح هذا العمل المتعلق بإثبات المفهوم كيفية تخزين الطاقة على سطح لبنة شائعة باستخدام α-Fe2O3 كمقدمة مؤكسدة للتحكم في البلمرة الجذرية المؤكسدة وترسيب طلاء PEDOT بالسعة النانوية من طور البخار. ينتج عن الاستقرار الهيكلي للقرميد والبنية المجهرية المفتوحة أقطاب من الطوب قوية ميكانيكياً مغلفة بـ PEDOT ، والتي عند توصيلها في سلسلة ومغطاة بالإيبوكسي ، تنتج وحدة مكثف فائق ثابتة ومقاومة للماء. تضيف تقنية المكثف الفائق لدينا قيمة إلى مادة البناء “الرخيصة الأوساخ” وتوضح عملية قابلة للتطوير تتيح تخزين الطاقة لتشغيل الأجهزة الدقيقة المدمجة في التطبيقات المعمارية التي تستخدم الطوب المحروق.

طُرق
مواد
يتم شراء كلوروبنزين (99٪) ، 3،4-ethylenedioxythiophene (97٪) ، بولي (كحول فينيل) (Mw 89،000-98،000 ، 99 +٪ محلول مائي) ، ميثانول (≥99.8٪) ، وحمض الهيدروكلوريك (37٪) من سيجما الدريتش يتم شراء حامض الكبريتيك (AR) من Macron. تم شراء حل PEDOT: PSS (Clevios PH 1000) من شركة Heraeus. يتم استخدام جميع المواد الكيميائية دون مزيد من التنقية. يتم شراء رقائق البلاتين (سمكها 0.025 مم ، 99.9٪) من Alfa Aesar وتُستخدم في صناعة خيوط الأقطاب الكهربائية ويستخدم غشاء Celgard 3501 كفاصل. يتم شراء الطوب المشتعل من متاجر الأجهزة المحلية: The Home Depot Inc. (النوع 1 لبنة ، https://www.homedepot.com ، الإنترنت # 100323015 ، الموديل # RED0126MCO ، Store SKU # 393134) ، Lowe’s Inc. (النوع 2 لبنة ، https://www.lowes.com، Item # 10298، Model # 600370) and Menards Inc. (type 3 brick، https://www.menards.com، Model Number: 1441901، Menards® SKU: 1441901). يتم شراء أرضيات الطرق من شركة Menards Inc. (https://www.menards.com ، رقم الموديل: 1793028 ، Menards® SKU: 1793028) ويتم قطع جميع مواد البناء المستخدمة لتطوير الأقطاب الكهربائية باستخدام منشار ماسي. يتم شراء لون الأسمنت الأحمر (جزيئات α-Fe2O3) التي تنتجها شركة NewLook Inc. من The Home Depot Inc. (https://www.homedepot.com، Internet # 203858654، Model # CC1LB105) ويعمل كمصدر مؤكسد لتطوير المواد الكيميائية التوليفات. مواد لصنع الخرسانة (تم شراؤها من The Home Depot Inc. ، https://www.homedepot.com) تشمل الأسمنت البورتلاندي Quikrete من الدرجة التجارية (النوع الأول / الثاني) (الإنترنت # 100318486 ، الموديل # 100700 ، المتجر SKU # 616788) ، رمل كويكريت لجميع الأغراض (Internet # 100318450Model # 115251Store SKU # 137263) وقاعدة فناء / رصف Pavestone متعددة الأغراض (الإنترنت # 100580973 ، موديل # 98001 ، مخزن SKU # 208618).

التوصيف
يتم جمع صور مجهرية المسح الإلكتروني وأطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة مع

أ JEOL 7001LVF FE-SEM. يتم إجراء قياسات مقاومة المسبار من نقطتين باستخدام مقياس رقمي متعدد Fluke 177 True RMS بمسافة 3 مم بين مجسين. يتم إجراء التحليل الحراري الوزني على جهاز Discovery TGA (أدوات TA). يتم إجراء قياس الفولتميتر الدوري وقياسات الشحنة الجلفانية – التفريغ والتحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية في BioLogic VMP3 متعدد القدرات. بالنسبة لمطياف المعاوقة الكهروكيميائية ، يكون الاضطراب الجيبي 10 مللي فولت بترددات ممسوحة ضوئيًا بين 100 كيلوهرتز و 0.1 هرتز. تُظهر مؤامرة نيكويست مقاومة حقيقية Z ′ مقابل مقاومة خيالية −Z ′ ′ تحت اضطراب جيبي عند جهد الدائرة المفتوحة. يحتوي تركيب مخطط Nyquist باستخدام مخطط دائرة مكافئ على مقاومة المحلول (Rs) ، ومقاومة مادة القطب (Rm) ، وسعة المواد (Cm) ، والسعة مزدوجة الطبقة (Cdl) ، وعنصر الطور الثابت (CPE). هنا ، تعكس Rs التنقل الأيوني بالكهرباء ويمثل Rm المقاومة الكهربائية للقطب. يتم الحصول على أطياف حيود مسحوق الأشعة السينية لمساحيق الطوب التي يتم سحقها بواسطة الهاون والمدقة في مقياس حيود Bruker d8 Advance للأشعة السينية في درجة حرارة الغرفة ، مع مصدر إشعاع Cu Kα (λ = 1.5406 Å) وكاشف LynxEyeXe. حامل العينة عبارة عن قرص سيليكون خالٍ من الخلفية يدور بسرعة 30 دورة في الدقيقة عند جمع البيانات بخطوة مسح تبلغ 0.02 درجة عند 40 كيلو فولت و 40 مللي أمبير. يتم إجراء اختبارات التيار والجهد على محطة مسبار ثنائية النقط مطبوعة ثلاثية الأبعاد مع مجسّين من الذهب يفصل بينهما 2 مم. يتم إجراء تجارب امتصاص الماء كما هو موضح في ASTM C67 / C67M-18 باستثناء عينات الطوب بحجم 1 سم × 0.5 سم × 0.28 سم. يتم إجراء مطياف كتلة البلازما المقترنة بالحث على Perkin Elmer ELAN DRC II ICP-MS. يتم الحصول على عينات للاختبار من الإلكتروليتات (5 مل 1 مولار H2SO4) بعد تجارب قياس الفولتميتر الدوري ثلاثية الأقطاب ويتم تخفيفها إلى 1/100 باستخدام ماء Mili-Q قبل التحليلات. يتم الحصول على منحنيات المعايرة الخارجية باستخدام الحل القياسي IV-ICPMS-71A الذي تم شراؤه من Inorganic Ventures، Inc.

تحضير بولي (كحول فينيل) / H2SO4 جل بالكهرباء
تمت صياغة المحلول الكهربائي الهلامي باستخدام 1 جرام من مسحوق بولي (كحول فينيل) مذاب في 10 مل من الماء منزوع الأيونات تحت التحريك القوي عند 90 درجة مئوية وتبريده إلى حوالي 50 درجة مئوية. يتم بعد ذلك إضافة 1 جرام من H2SO4 المركز (1 م) بالتنقيط بالتنقيط بواسطة حمض الماصات على الجدار الداخلي تحت التحريك القوي لمنع كربنة البولي (كحول فينيل). يقلل التقليب من التسخين الموضعي ويتم تنفيذه لمدة ساعة واحدة مما ينتج عنه محلول متجانس وشفاف وعديم اللون.

توليف طلاء Nanofibrillar PEDOT على لبنة
يتم قطع الطوب باستخدام منشار ألماس (خطأ ± 0.03 سم) إلى الأحجام الأربعة التالية: 1.00 سم 0.50 سم 0.28 سم (لدراسة التركيب والكيمياء الكهربية) ، 1.27 سم 1.27 سم 0.20 سم (للزخرفة) ، 2.00 سم ⨯ 1.00 سم 1.00 سم (للمكثف الفائق الموسع) و 10.16 سم 6.77 سم 5.72 سم (للتركيب الموسع). يتم غسل الطوب ثلاث مرات بالماء منزوع الأيونات لإزالة الغبار السطحي ثم تجفيفه عند 160 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة وتبريده إلى درجة حرارة الغرفة.

يتم إجراء توليفات جميع أنواع الطوب مقاس 1 سم × 0.5 سم × 0.28 سم في الأوتوكلاف المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ المبطن بالتفلون بسعة 25 مل كما هو موضح في الشكل 1 أ. يتم وضع الطوب على خزان زجاجي ثم يتم تحميل 200 ميكرولتر من محلول 0.85 M EDOT / كلوروبنزين في خزان زجاجي منفصل ويتم حقن 30 ميكرولتر من 12 M HCl مباشرة في بطانة التفلون. يغلق المفاعل ويدخل في فرن عند 160 درجة مئوية لمدة 14 ساعة. يتم غسل المنتج ثلاث مرات بالميثانول الزائد وتجفيفه في درجة حرارة الغرفة قبل إجراء الاختبارات. وبالمثل ، يتم إجراء تخليق لبنة بحجم 2 سم -1 سم -1 سم في الأوتوكلاف المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ المبطن بالتفلون بسعة 125 مل باستخدام 600 ميكرولتر من محلول كلوروبنزين 0.70 ميكرولتر و 75 ميكرولتر من 12 مولار هيدروكلوريد.

قرميد (1.27 سم ⨯ 1.27 سم 0.20 سم) مزخرف باستخدام قناع شريط بوليميد. يتم إجراء التوليف عند 150 درجة مئوية لمدة 14 ساعة في الأوتوكلاف المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ المبطن بالتفلون سعة 125 مل يحتوي على 1 مل من محلول EDOT 0.85 M في كلوروبنزين و 0.6 مل من 12 M HCl (الشكل التكميلي 4 أ).

يتم إجراء التحجيم في مفاعل زجاجي (12.30 سم × 8.55 سم × 11.30 سم) مع لبنة كبيرة (10.16 سم × 6.77 سم × 5.72 سم). يتم إجراء التفاعل باستخدام 15 مل من حمض الهيدروكلوريك 12 مولار و 15 مل من 0.85 مولار EDOT في محلول كلوروبنزين عند 150 درجة مئوية لمدة 6 ساعات (الشكل 2 هـ).

نحن ننتج طلاء PEDOT على الخرسانة عن طريق تطبيق جزيئات α-Fe2O3 على سطح خرساني (الشكل التكميلي 4 ج). يتم إنتاج هذا المركب عن طريق خلط الرمل والحجر والأسمنت البورتلاندي والماء بنسبة وزن 3: 1.5: 1: 0.7. يتم بعد ذلك حقن ملاط خرساني غير معالج في قالب مقاس 1.27 سم × 1.27 سم × 2.54 سم ، ويتم التقليب لإزالة فقاعات الغاز ، ومعالجته لمدة 3 أيام في الظروف المحيطة. يُغمس قضيب خرساني مُعالج جزئيًا في مشتت مائي من α-Fe2O3 (0.25 جم مل 1) لمدة 3 ثوانٍ ، ثم يُجفف في الهواء. يتم إجراء التوليف عند 150 درجة مئوية لمدة 14 ساعة في الأوتوكلاف المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ المبطن بالتفلون سعة 125 مل محمل بـ 1 مل من 0.45 M EDOT في محلول كلوروبنزين و 0.1 مل من 12 M حمض الهيدروكلوريك.

rication من مكثف فائق شبه صلب
يتم توصيل الطوب بـ Pt كما هو موضح في الشكل التكميلي 7 أ (أعلى اليسار) قبل صب الهلام. يتم ضخ المحلول الكهربائي للهلام (0.1 جم مل بولي (كحول فينيل) / 1 م H2SO4) على قطعتين من الطوب المطلي بـ 1 سم 0.5 سم 0.28 سم (100 ميكرولتر لكل لبنة على وجه 1 سم ⨯ 0.5 سم). يُسمح لهذا المنحل بالكهرباء بالتشريب لمدة 12 ساعة في الظروف المحيطة (25 درجة مئوية ، 30-60٪ رطوبة نسبية) مكونًا طبقة جل شبه جافة. يضاف 25 ميكرولتر إضافي من إلكتروليت الهلام ليكون بمثابة رابط بين قطعتين لتجميع مكثف فائق من نوع الساندويتش. يتم تجفيف الجهاز في ظروف محيطة (25 درجة مئوية ، 30-60٪ رطوبة نسبية) لمدة ساعة واحدة قبل الختم بالإيبوكسي (الشكل التكميلي 9 أ).

تصنيع المكثفات الفائقة الترادفية
المحلول الكهربائي الهلامي عبارة عن مزيج من 0.1 جم من بولي (كحول فينيل) في 1 مل من 1 مولار H2SO4 و 200 ميكرولتر يضاف إلى وجه من الطوب مطلي بـ PEDOT (1 سم -1 سم). يُسمح لهذا المنحل بالكهرباء بالاستقرار لمدة 12 ساعة في الظروف المحيطة (25 درجة مئوية ، 30-60٪ رطوبة نسبية) ؛ تتكرر هذه العملية لجميع أقطاب الطوب مما يؤدي إلى طبقة جل سميكة (الشكل التكميلي 11 أ). يضاف 50 ميكرولتر إضافي من محلول بولي (كحول فينيل) / H2SO4 ليكون بمثابة مادة رابطة بين الطوب. يتم تجفيف الأجهزة في فرن عند 50 درجة مئوية لمدة ساعتين ، ويتم لصق رقائق البلاتين ، التي تعمل كرصاص ، بالطوب باستخدام شريط بوليميد.