Neelam Singh, étudiant diplômé de l'Université Rice, détient un supercondensateur fabriqué à partir d'une seule feuille d'oxyde de graphite. La chaleur de l'écriture d'un motif dans le matériau avec un laser le transforme en oxyde de graphite réduit électriquement conducteur. (Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice)
Transformer l'oxyde de graphite (GO) en supercondensateurs à part entière s'avère simple. Mais jusqu'à ce qu'un laboratoire de l'Université Rice découvre comment, c'était tout sauf évident.
Le professeur de riz Pulickel Ajayan et son équipe ont découvert qu'ils pouvaient transformer une feuille de GO en un supercondensateur fonctionnel en y écrivant des motifs avec un laser. Les scientifiques savaient déjà que la chaleur d'un laser pouvait convertir le GO, la forme oxydée du graphite, ou une mine de crayon à base de carbone - en oxyde de graphite réduit (RGO) électriquement conducteur. En écrivant des motifs de RGO dans de fines feuilles de GO, les chercheurs de Rice les ont effectivement transformés en supercondensateurs autonomes capables de stocker et de libérer de l'énergie sur des milliers de cycles.
La découverte a été rapportée cette semaine dans l'édition en ligne de Nature Nanotechnologie .
La découverte surprenante était que GO, une fois hydraté, peut contenir des ions et servir d'électrolyte solide et de séparateur électriquement isolant. "C'est assez facile, comme GO absorbe l'eau comme une éponge et peut contenir jusqu'à 16% de son poids, " dit Wei Gao, auteur principal de l'article et étudiant diplômé du Ajayan Lab.
"La percée fondamentale ici est que GO, quand il contient de l'eau, agit comme un conducteur ionique, " dit Ajayan, Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson de Rice, professeur en génie mécanique et science des matériaux et en chimie. "Nous sommes donc capables de convertir une feuille de GO en supercondensateur sans rien ajouter. Tout ce dont vous avez besoin, c'est d'un motif et des électrodes, et vous avez un appareil. Bien entendu, les appareils fonctionnent également en présence d'électrolytes externes, ce qui est encore mieux.
"Je pense que vous allez voir beaucoup de petits appareils qui ont besoin de plus petites sources d'alimentation. Les appareils de taille intermédiaire peuvent également être alimentés par ce matériau; c'est très évolutif."
Comme expérience de contrôle, l'équipe a aspiré toute l'eau d'un appareil RGO-GO-RGO sous vide pour tuer sa conductivité ionique. L'exposer à l'air pendant trois heures a complètement restauré sa fonction de supercondensateur, une autre caractéristique potentiellement pratique.
Pour construire un supercondensateur entièrement fonctionnel, les matériaux conducteurs des électrodes doivent être séparés par un isolant qui contient l'électrolyte. Lorsque les motifs écrits au laser de la conduction RGO sont séparés par GO, le matériau devient un dispositif de stockage d'énergie, dit Gao. Les motifs peuvent être superposés en haut et en bas ou sur le même plan.
Dans leurs expériences, la chaleur d'un laser dans la cuisine de conception d'ingénierie d'Oshman de Rice a aspiré l'oxygène de la surface pour créer l'obscurité, RGO poreux, qui a fourni un niveau de résistance et retenu les ions contenus dans GO jusqu'à leur libération contrôlée. Les motifs ont été écrits dans le GO avec une précision de près d'un micron.
Essentiellement, les appareils présentaient de bonnes performances électrochimiques - sans les produits chimiques.
Les tests des appareils à Rice et par des collègues de l'Université du Delaware ont montré que leurs performances se comparent favorablement à celles des micro-supercondensateurs à couche mince existants. Ils présentent des caractéristiques de transport de protons similaires à celles de Nafion, une membrane électrolytique commerciale découverte dans les années 1960, dit Ajayan.
Bien que le laboratoire ne fabriquera pas de sitôt des supercondensateurs plats en vrac, Ajayan a déclaré que la recherche ouvre la voie à des possibilités intéressantes, y compris les dispositifs destinés à être utilisés dans les piles à combustible et les batteries au lithium.
Il a dit que la découverte est surprenante "parce que beaucoup de gens regardent l'oxyde de graphite depuis cinq ou 10 ans maintenant, et personne n'a vu ce que nous voyons ici. Nous avons découvert un mécanisme fondamental de l'oxyde de graphite - une membrane conductrice ionique - qui est utile pour les applications."
