Realizzazione di grafene mesoporoso per sistemi di accumulo di energia

Il grafene è un materiale attivo adatto per supercondensatori per elettrodi a doppio strato (EDLC) grazie alla sua elevata conduttività elettrica e alla sua struttura leggera. Tuttavia, è necessaria una configurazione porosa per massimizzare la densità di energia specifica del grafene per molte nuove applicazioni di accumulo di energia.

​​​​​​Stallo: Fabbricazione morbida assistita da stampi di grafene mesoporoso per sistemi di accumulo di energia ad alte prestazioni. Credito immagine: Neon_dust/Shutterstock.com

Un recente studio pubblicato sulla rivista Materiali applicati e interfacce ACS Propone una strategia semplice per la fabbricazione di grafene medio-poroso con applicazioni in sistemi di accumulo di energia ad alte prestazioni come i supercondensatori elettrici a doppio strato (EDLC).

Condensatori elettrolitici a doppio strato (EDLC): panoramica e sfide

I sistemi di accumulo di energia hanno recentemente ricevuto molta attenzione a causa dell’urgente necessità di sostituire i combustibili fossili in molti settori industriali, come i trasporti. In questo contesto, i condensatori elettrolitici a doppio strato (EDLC) sono importanti sistemi di accumulo di energia grazie alla loro elevata densità di energia e all’eccezionale stabilità ciclica.

Tuttavia, i tradizionali sistemi di accumulo di energia a carboni attivi (AC) hanno una scarsa densità di energia a causa di un’area di contatto specifica insufficiente, che porta a una creazione insufficiente di un doppio strato elettrico tra il materiale dell’elettrodo e l’elettrolita.

Di conseguenza, è necessario sviluppare un materiale attivo con un’elevata area di contatto specifica per ottenere un’elevata densità di energia e soddisfare le esigenze dei nuovi sistemi di accumulo di energia.

Studi precedenti hanno tentato di creare composti di carbonio con un’elevata area superficiale, come il carbonio a struttura altamente porosa, per scopi di accumulo di energia. Tuttavia, i materiali convenzionali a base di carbonio hanno una bassa conduttività, che porta a una bassa densità di energia e a una scarsa stabilità periodica.

Grafene mesoporoso per applicazioni di accumulo di energia

Il grafene è considerato un potenziale materiale di carbonio a causa della sua notevole conduttività elettrica. Tuttavia, l’elevato contatto di van der Waals tra i fogli di grafene rende inevitabile l’impilamento, risultando in una superficie disponibile limitata.

Lo svantaggio intrinseco del grafene può essere superato aggiungendo una microstruttura porosa 3D, che aumenta la superficie disponibile pur mantenendo utili proprietà elettriche.

Il materiale risultante, noto come grafene mesoporoso, combina i vantaggi del grafene, della modulazione 2D ultrasottile e delle strutture mesoporose, che migliorano notevolmente la forza e la densità di energia dei dispositivi di accumulo di energia come i condensatori elettrolitici a doppio strato (EDLC).

Diversi gruppi di ricerca hanno tentato di sintetizzare grafene poroso 3D utilizzando una tecnica catalitica assistita da template. Tuttavia, a causa dello stampo catalitico volatile, il diametro dei pori e l’area di contatto erano piuttosto elevati. Pertanto, lo sviluppo di una tecnica efficiente per l’assemblaggio di grafene poroso 3D con un’area di contatto elevata di componenti EDLC ad alta densità di energia rimane una sfida importante.

Cosa hanno fatto i ricercatori in questo studio?

In questo studio, i ricercatori hanno creato grafene tridimensionale medio-poroso utilizzando copolimeri a blocchi (BCP) per costruire il modello attivo con la struttura intermedia e la risorsa di carbonio. Il copolimero poli(stirene)-poli(2-vinilpiridina) (PS-b-P2VP) è stato amplificato in etanolo caldo e quindi essiccato per creare uno stampo con una struttura intermedia.

La non galvanica ha prodotto lo stampo reattivo mediante deposizione selettiva di un precursore di nichel come catalizzatore di grafene sullo strato P2VP.

È interessante notare che la struttura del grafene medio-poroso è stata preservata con successo durante la decomposizione catalitica anche ad alte temperature poiché la flessibilità meccanica del complesso PS-b-P2VP è sufficiente per agire come un rinforzo rigido e prevenire l’accumulo del catalizzatore di nichel.

La superficie del grafene medio-poroso è stata studiata utilizzando tecniche avanzate come la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), la diffrazione dei raggi X (XRD) e la microscopia elettronica a scansione (SEM). La tecnica Barrett-Joyner-Halenda (BJH) è stata utilizzata per calcolare la distribuzione delle dimensioni dei pori nelle particelle porose di grafene dai rami di adsorbimento e desorbimento.

Punti salienti della ricerca

I modelli mesoporosi hanno conservato correttamente le loro strutture senza cedimenti strutturali nella decomposizione catalitica ad alta temperatura, consentendo la sintesi di grafene medio-poroso con un diametro dei pori di 3,5 nm. Il grafene poroso preparato aveva una forma binaria continua, con il grafene assemblato in pori intermedi 3D con un’ampia area di contatto.

L’ampia area di contatto specifica e il piccolo diametro dei pori hanno consentito a un gran numero di elettroliti di entrare nel grafene mesoporoso. Inoltre, i percorsi elettricamente conduttivi nei fogli di grafene medio porosi hanno determinato un trasferimento di elettroni interfacciale altamente efficiente.

Quando sono stati utilizzati grafene e liquidi ionici porosi come materiali per elettrodi ed elettroliti, l’EDLC risultante ha mostrato prestazioni ad alta tensione e una notevole efficienza di accumulo di energia, inclusa un’elevata capacità specifica, un’elevata densità di energia e una buona stabilità periodica.

Questi risultati indicano che il grafene poroso può essere un materiale di carbonio promettente per la fabbricazione di sistemi di accumulo di energia di elettrolisi ad alte prestazioni.

riferimento

Kim, K.; et al. (2022). Fabbricazione soft die assistita di grafene mesoporoso per sistemi di accumulo di energia ad alte prestazioni. Materiali applicati e interfacce ACS. Disponibile a: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c12948

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