Kleine deukjes in het oppervlak van grafeen vergroten het potentieel als supercondensator enorm. Nog beter, het kan worden gemaakt van koolstofdioxide.

Een materiaalwetenschapper aan de Michigan Technological University vond een nieuwe benadering uit om koolstofdioxide op te nemen en om te zetten in 3D-grafeen met microporiën over het oppervlak. Het proces is de focus van een nieuwe studie gepubliceerd in de American Chemical Society's Toegepaste materialen en interfaces .

De omzetting van kooldioxide in bruikbare materialen vereist gewoonlijk een hoge energie-input vanwege de ultrahoge stabiliteit. Echter, professor materiaalwetenschappen Yun Hang Hu en zijn onderzoeksteam creëerden een warmte-afgevende reactie tussen koolstofdioxide en natrium om 3D-microporeus grafeen aan het oppervlak te synthetiseren.

"3-D-oppervlak-microporeus grafeen is een gloednieuw materiaal, "Hu zegt, wat verklaart dat het oppervlak van het materiaal pokdalig is met microporiën en zich vouwt in grotere mesoporiën, die beide het beschikbare oppervlak voor adsorptie van elektrolytionen vergroten. "Het zou een uitstekend elektrodemateriaal zijn voor apparaten voor energieopslag."

Hole Supercondensatoren

De supercapacitieve eigenschappen van de unieke structuur van 3-D oppervlakte-microporeus grafeen maken het geschikt voor liften, bussen, kranen en elke toepassing die een snelle laad-/ontlaadcyclus vereist. Supercondensatoren zijn een belangrijk type energieopslagapparaat en worden veel gebruikt voor regeneratieve remsystemen in hybride voertuigen.

In principe, een supercondensatormateriaal moet een lading opslaan en vrijgeven. De beperkende factor is hoe snel ionen door het materiaal kunnen bewegen.

Huidige gecommercialiseerde supercondensatoren maken gebruik van actieve kool met behulp van microporiën om efficiënte ladingsaccumulatie te bieden. Echter, elektrolytionen hebben moeite om in of door de diepe microporiën te diffunderen, het verhogen van de oplaadtijd.

"Het nieuwe 3D-oppervlakte-microporeuze grafeen lost dit op, " zegt Hu. "De onderling verbonden mesoporiën zijn kanalen die kunnen fungeren als een elektrolytreservoir en de microporiën aan het oppervlak adsorberen elektrolytionen zonder de ionen diep in de microporie te hoeven trekken."

De mesoporiën zijn als een haven en de elektrolyten zijn schepen die in de microporiën kunnen aanmeren. De ionen hoeven geen grote afstand af te leggen tussen zeilen en aanmeren, wat de laad-/ontlaadcycli die ze kunnen doorlopen aanzienlijk verbetert. Als resultaat, het materiaal vertoonde een ultrahoge oppervlaktecapaciteit van 1,28 F/cm2, wat wordt beschouwd als een uitstekend snelheidsvermogen en uitstekende fietsstabiliteit voor supercondensatoren.

Uit dunne lucht

Om het materiaal uit koolstofdioxide te synthetiseren, Hu's team voegde kooldioxide toe aan natrium, gevolgd door het verhogen van de temperatuur tot 520 graden Celsius. De reactie kan warmte afgeven in plaats van dat er energie nodig is.

Tijdens het proces, kooldioxide vormt niet alleen 3D-grafeenplaten, maar graaft ook de microporiën. De deukjes zijn slechts 0,54 nanometer diep in de oppervlaktelagen van grafeen.

Hu's werk wordt gefinancierd door de National Science Foundation (NSF) en gedetailleerd beschreven in de ACS toegepaste materialen en interfaces artikel "Een ideaal elektrodemateriaal, 3D-oppervlak microporeus grafeen voor supercondensatoren met ultrahoge oppervlaktecapaciteit."