grafeen, een enkele laag koolstofatomen, is een aantrekkelijk elektrodemateriaal voor supercondensatortoepassingen vanwege het grote oppervlak. Echter, hoe de elektrolyten interageren met koolstofmateriaal om energie op te slaan, is nog steeds niet goed begrepen. Wetenschappers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en Princeton University onderzochten hoe de oppervlaktechemie van grafeen het ladingsopslagmechanisme beïnvloedt. Ze ontdekten dat de defecten op het grafeenoppervlak de interactie van de vloeistof met het oppervlak veranderen. De kationen van de ionische vloeistof, d.w.z., positieve ionen, aggregaat in de buurt van een defect, en de anionen of negatieve ionen worden erdoor afgestoten, het veranderen van de moleculaire rangschikking van de ionische vloeistof op het oppervlak.

"Het identificeren van hoe de geladen ionische soorten binden aan het elektrodeoppervlak is erg belangrijk voor het vergroten van de opslagcapaciteit en het verbeteren van de lading-ontladingskinetiek voor energieopslagapparaten, " zei Dr. M. Vijayakumar, die het onderzoek leidde.

Traditionele supercondensatoren zijn gemaakt van koolstof met een groot oppervlak. Echter, grafeen heeft potentieel het grootste oppervlak van koolstofmaterialen en, dus, zou de specifieke capaciteit aanzienlijk kunnen verhogen. Echter, het is moeilijk te begrijpen en te controleren hoe de geladen ionische soorten worden opgenomen en getransporteerd in de grafeenelektroden. Het onderzoek van het team biedt fundamentele inzichten in de moleculaire structuren die worden opgebouwd wanneer grafeen functionele groepen of defecten heeft die interageren met de elektrolyt. De studie biedt wetenschappers een basiskennis om betere materialen voor energieopslag te creëren.

"Het probleem is dat de meeste onderzoeken zijn gebaseerd op de veronderstelling dat grafeen zonder fouten wordt gebruikt, wat niet realistisch is en de interpretatie van de onderzoeksresultaten verstoort, " zei dr. Birgit Schwenzer, een materiaalwetenschapper die aan het onderzoek heeft meegewerkt. "We wilden weten welke invloed de defecten zouden hebben op de grafeeninteracties met elektrolyten."

De onderzoekers vermengden geëxfolieerd grafeen met de ionische vloeistof. In tegenstelling tot andere elektrolyten, de ionische vloeistof bevat omvangrijke organische negatief en positief geladen ionen. In dit geval, het kation was 1-butyl-3-methylimidazolium (BMIM+), en het anion was trifluormethaansulfonaat (TfO-). Rond de grafeenvlokken vormde zich een dun laagje ionische vloeistof. Het team analyseerde de dunne laag met behulp van 11,7 Tesla magnetische veld magische hoek draaiende nucleaire magnetische resonantie spectrometer, Röntgenfoto-elektronenspectroscopie bij EMSL en Fourier-transform infraroodspectroscopie in het Physical Sciences Laboratory bij PNNL.

Ze correleerden de spectra met computermodellen van de interactie tussen een ionisch vloeibaar molecuul en grafeen met een enkel defect of functionele groep, zoals een hydroxylgroep, wat een zuurstofatoom en een waterstofatoom is, aan het oppervlak gehecht. De modellen zijn gebouwd met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie met op empirische dispersiecorrectie gebaseerde methoden.

"We willen benadrukken dat het model slechts één hydroxylgroep beschouwt, " zei Vijayakumar. "Er zijn meer gedetailleerde theoretische studies met meer functionele groepen aan de gang, wat ons een dieper begrip van het grensvlak zal geven."

Het team ontdekte dat functionele groepen op het oppervlak de moleculaire rangschikking van de kationen en anionen van de vloeistof veranderen. Bijvoorbeeld, de kationen worden eerder geabsorbeerd in de buurt van de zuurstofbevattende functionele groepen, vanwege de relatief grotere aantrekkingskracht van het positief geladen kation van de ionische vloeistof op de negatief geladen zuurstof in de hydroxylgroep. Verder, de negatief geladen defecten stoten de TfO-anionen af. Zowel de kationen als de anionen vertonen een verscheidenheid aan moleculaire oriëntaties nabij de functionele groepen op het grafeenoppervlak, heel anders dan hun perfecte opstelling op defectvrij materiaal.

Deze studie is een proof of principle, laat zien hoe grafeen met defecten en ionische vloeistof-interacties kan worden bestudeerd. Nutsvoorzieningen, ze willen hun onderzoek uitbreiden naar verschillende moleculaire modellen die in staat zijn om meer defecten op het grafeenoppervlak en andere complexiteiten aan te pakken.