Grafietoxide (GO) omzetten in volwaardige supercondensatoren blijkt eenvoudig. Maar totdat een laboratorium aan de Rice University ontdekte hoe, het was allesbehalve duidelijk.

Rice Professor Pulickel Ajayan en zijn team ontdekten dat ze een vel GO konden transformeren in een functionele supercondensator door er met een laser patronen in te schrijven. Wetenschappers wisten al dat de hitte van een laser GO kon omzetten - de geoxideerde vorm van grafiet, of op koolstof gebaseerde potloodstift - in elektrisch geleidend gereduceerd grafietoxide (RGO). Door patronen van RGO in dunne vellen GO te schrijven, de Rice-onderzoekers veranderden ze effectief in vrijstaande supercondensatoren met het vermogen om energie op te slaan en vrij te geven gedurende duizenden cycli.

De vondst werd deze week gemeld in de online editie van Natuur Nanotechnologie .

De verrassende vondst was dat GO, wanneer gehydrateerd, kan ionen vasthouden en dienen als een vaste elektrolyt en een elektrisch isolerende afscheider. "Dit is vrij eenvoudig, omdat GO water opzuigt als een spons en tot 16 procent van zijn gewicht kan vasthouden, " zei Wei Gao, hoofdauteur van het artikel en een afgestudeerde student in het Ajayan Lab.

"De fundamentele doorbraak hier is dat GO, wanneer het water bevat, werkt als een ionengeleider, " zei Ajayan, Rice's Benjamin M. en Mary Greenwood Anderson Professor in werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde. "Dus we zijn in staat om een ​​vel GO om te zetten in een supercondensator zonder iets toe te voegen. Je hebt alleen een patroon en de elektroden nodig, en je hebt een apparaat. Natuurlijk presteren de apparaten ook in aanwezigheid van externe elektrolyten, wat nog beter is.

"Ik denk dat je veel kleine apparaten zult zien die kleinere stroombronnen nodig hebben. Middelgrote apparaten kunnen ook worden aangedreven door dit materiaal; het is zeer schaalbaar."

Als controle-experiment het team zoog al het water uit een RGO-GO-RGO-apparaat in een vacuüm om de ionische geleidbaarheid te vernietigen. Door het gedurende drie uur aan lucht bloot te stellen, herstelde de supercondensatorfunctie volledig, nog een potentieel handige eigenschap.

Om een ​​volledig functionele supercondensator te bouwen, geleidende elektrodematerialen moeten worden gescheiden door een isolator die de elektrolyt bevat. Wanneer lasergeschreven patronen van geleidende RGO worden gescheiden door GO, het materiaal wordt een energieopslagapparaat, zei Gao. De patronen kunnen aan de boven- en onderkant of op hetzelfde vlak worden gelaagd.

In hun experimenten, warmte van een laser in Rice's Oshman Engineering Design Kitchen zoog zuurstof uit het oppervlak om het donker te creëren, poreuze RGO, die een niveau van weerstand bood en de GO-bevatte ionen tegenhield tot hun gecontroleerde afgifte. Patronen werden in de GO geschreven met een nauwkeurigheid van bijna één micron.

Eigenlijk, de apparaten vertoonden goede elektrochemische prestaties - zonder de chemicaliën.

Testen van de apparaten bij Rice en door collega's van de Universiteit van Delaware toonden aan dat hun prestaties gunstig afsteekt bij bestaande dunne-film micro-supercondensatoren. Ze vertonen kenmerken van protontransport die vergelijkbaar zijn met die van Nafion, een commercieel elektrolytmembraan dat in de jaren zestig werd ontdekt, zei Ajayan.

Hoewel het lab niet snel platte supercondensatoren in bulk zal maken, Ajayan zei dat het onderzoek de weg opent naar interessante mogelijkheden, inclusief apparaten voor gebruik in brandstofcellen en lithiumbatterijen.

Hij zei dat de ontdekking verrassend is "omdat veel mensen al vijf of tien jaar naar grafietoxide kijken, en niemand heeft gezien wat we hier zien. We hebben een fundamenteel mechanisme van grafietoxide ontdekt - een ionisch geleidend membraan - dat nuttig is voor toepassingen."