Een beetje natrium gaat een lange weg. Dat is tenminste het geval bij op koolstof gebaseerde energietechnologie. specifiek, het inbedden van natrium in koolstofmaterialen kan de elektroden enorm verbeteren, wat de productie van zonnecellen en supercondensatoren zou kunnen stroomlijnen.

Een onderzoeksteam onder leiding van Yun Hang Hu, de Charles en Carroll McArthur hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Michigan Tech, creëerde een geheel nieuwe manier om natrium-ingebedde koolstof nanowalls te synthetiseren. Eerder, het materiaal was alleen theoretisch en het tijdschrift Nano-letters deze uitvinding onlangs gepubliceerd.

Beter dan grafeen

Hoge elektrische geleidbaarheid en groot toegankelijk oppervlak, die nodig zijn voor ideale elektrodematerialen in energieapparaten, staan ​​tegenover elkaar in de huidige materialen. Amorfe koolstof heeft een lage geleidbaarheid maar een groot oppervlak. Grafiet, anderzijds, heeft een hoge geleidbaarheid maar een klein oppervlak. Driedimensionaal grafeen heeft het beste van beide eigenschappen - en de in natrium ingebedde koolstof die is uitgevonden door Hu bij Michigan Tech is nog beter.

"De geleidbaarheid van in natrium ingebedde koolstof is twee ordes van grootte groter dan driedimensionaal grafeen, " zegt Hu. "De nanowandstructuur, met al zijn kanalen en poriën, heeft ook een groot toegankelijk oppervlak vergelijkbaar met grafeen."

Dit is anders dan met metaal gedoteerde koolstof, waar metalen zich eenvoudig op het oppervlak van koolstof bevinden en gemakkelijk worden geoxideerd; het inbedden van een metaal in de eigenlijke koolstofstructuur helpt het te beschermen. Om zo'n droommateriaal te maken, Hu en zijn team moesten een nieuw proces creëren. Ze gebruikten een temperatuurgecontroleerde reactie tussen natriummetaal en koolmonoxide om een ​​zwart koolstofpoeder te creëren dat natriumatomen opsloot. Verder, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Michigan en de Universiteit van Texas in Austin, ze toonden aan dat het natrium in de koolstof was ingebed in plaats van aan het oppervlak van de koolstof te hechten.

Er is slechts een minuscule hoeveelheid ingebed natrium nodig om te resulteren in een hoge geleidbaarheid voor koolstof met een groot oppervlak, waardoor het een veelbelovend elektrodemateriaal is voor energieapparaten zoals kleurstofgevoelige zonnecellen en supercondensatoren.

Zonnepanelen

Dye-sensitized zonnecellen (DSSC's) zijn een alternatief voor de veelgebruikte op silicium gebaseerde panelen voor elektriciteitsproductie uit zonlicht. Platina is het huidige tegenelektrodemateriaal bij uitstek voor DSSC's.

"Echter, in natrium ingebedde koolstof is zowel goedkoper als efficiënter dan platina in deze zonnecellen, "zegt Hu.

In de kleurstofgevoelige zonnecelwereld, elke tiende van een procent telt om apparaten efficiënter en commercieel levensvatbaarder te maken. In de studie, de op platina gebaseerde zonnecel bereikte een energieconversie-efficiëntie van 7,89 procent, die als standaard wordt beschouwd. In vergelijking, de zonnecel die Hu's natrium-ingebedde koolstof gebruikte, bereikte een efficiëntie van 11,03 procent.

Supercondensator

Supercondensatoren kunnen ladingen veel sneller accepteren en afleveren dan oplaadbare batterijen en zijn ideaal voor auto's, treinen, liften en ander zwaar materieel. De kracht van hun elektrische stoot wordt gemeten in farads (F); de dichtheid van het materiaal, in gram (g), maakt ook uit.

Actieve kool wordt vaak gebruikt voor supercondensatoren; het bevat een 71 F g ^-1 ponsen. Driedimensionaal grafeen heeft meer kracht met een 112 F g ^-1 meting. In natrium ingebedde koolstof slaat ze allebei uit de ring met een 145 F g ^-1 meting. Plus, na 5, 000 laad-/ontlaadcycli, het materiaal behoudt een capaciteit van 96,4 procent, wat de stabiliteit van de elektrode aangeeft.

Batterijen en meer

De volgende stap in het onderzoek zal zijn om het materiaal in andere energieapparaten te beoordelen.

"Bij ons onderzoek we werken met zowel theorie als experimenten, ", zegt Hu. "Dit geeft ons een unieke kans om nieuwe materialen te creëren."

Hu zegt dat er veel vraag is naar innovatie in energie-apparaten. Hij ziet een mooie toekomst voor natrium-ingebedde koolstof en de verbeteringen die het biedt in zonnetechnologie, batterijen, brandstofcellen, en supercondensatoren.