Les plis du graphène 3-D forment des canaux mésoporeux qui fonctionnent avec les micropores de la surface pour augmenter les propriétés supercapacitives du matériau. Crédit :Université technologique du Michigan
De minuscules bosses à la surface du graphène améliorent considérablement son potentiel en tant que supercondensateur. Encore mieux, il peut être fabriqué à partir de dioxyde de carbone.
Un scientifique des matériaux de la Michigan Technological University a inventé une nouvelle approche pour prendre le dioxyde de carbone et le transformer en graphène 3D avec des micropores sur toute sa surface. Le processus est au centre d'une nouvelle étude publiée dans l'American Chemical Society's Matériaux appliqués et interfaces .
La conversion du dioxyde de carbone en matériaux utiles nécessite généralement un apport énergétique élevé en raison de sa stabilité ultra-élevée. Cependant, Le professeur de science des matériaux Yun Hang Hu et son équipe de recherche ont créé une réaction de libération de chaleur entre le dioxyde de carbone et le sodium pour synthétiser du graphène microporeux en surface 3-D.
« Le graphène microporeux en surface 3D est un tout nouveau matériau, " Hu dit, expliquant que la surface du matériau est grêlée de micropores et se replie en mésopores plus grands, qui tous deux augmentent la surface disponible pour l'adsorption des ions électrolytes. "Ce serait un excellent matériau d'électrode pour les dispositifs de stockage d'énergie."
Supercondensateurs Holey
Les propriétés supercapacitives de la structure unique du graphène microporeux de surface 3-D le rendent adapté aux ascenseurs, les autobus, grues et toute application nécessitant un cycle de charge/décharge rapide. Les supercondensateurs sont un type important de dispositif de stockage d'énergie et ont été largement utilisés pour les systèmes de freinage régénératifs dans les véhicules hybrides.
Essentiellement, un matériau de supercondensateur doit stocker et libérer une charge. Le facteur limitant est la vitesse à laquelle les ions peuvent se déplacer à travers le matériau.
Les supercondensateurs actuellement commercialisés utilisent du charbon actif en utilisant des bandes de micropores pour fournir une accumulation de charge efficace. Cependant, les ions électrolytiques ont du mal à se diffuser dans ou à travers ses micropores profonds, augmenter le temps de charge.
"Le nouveau graphène microporeux de surface 3-D résout ce problème, ", dit Hu. "Les mésopores interconnectés sont des canaux qui peuvent agir comme un réservoir d'électrolyte et les micropores de surface adsorbent les ions électrolytiques sans avoir besoin de tirer les ions profondément à l'intérieur du micropore."
Le mésopore est comme un port et les ions électrolytes sont des vaisseaux qui peuvent accoster dans les micropores. Les ions n'ont pas à parcourir une grande distance entre la navigation et l'amarrage, ce qui améliore considérablement les cycles de charge/décharge qu'ils peuvent traverser. Par conséquent, le matériau présentait une capacité surfacique ultra élevée de 1,28 F/cm2, ce qui est considéré comme une excellente capacité de débit ainsi qu'une superbe stabilité de cycle pour les supercondensateurs.
De l'air mince
Pour synthétiser le matériau à partir de dioxyde de carbone, L'équipe de Hu a ajouté du dioxyde de carbone au sodium, suivi d'une augmentation de la température à 520 degrés Celsius. La réaction peut libérer de la chaleur au lieu de nécessiter un apport d'énergie.
Pendant le processus, le dioxyde de carbone forme non seulement des feuilles de graphène 3D, mais creuse aussi les micropores. Les petites bosses ne font que 0,54 nanomètre de profondeur dans les couches superficielles de graphène.
Le travail de Hu est financé par la National Science Foundation (NSF) et détaillé dans le Matériaux et interfaces appliqués ACS article "Un matériau d'électrode idéal, Graphène microporeux de surface 3D pour supercondensateurs à très haute capacité surfacique."