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El grafeno es un ingrediente activo adecuado para los supercondensadores eléctricos de doble capa (EDLC) debido a su alta conductividad eléctrica y su composición ligera. Sin embargo, se requiere una configuración porosa para maximizar la densidad de energía específica del grafeno para muchas aplicaciones novedosas de almacenamiento de energía.
![Método simple para fabricar grafeno mesoporoso para sistemas de almacenamiento de energía](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39777_16654133347336311.jpg)
Estudio: Fabricación asistida por plantillas blandas de grafenos mesoporosos para sistemas de almacenamiento de energía de alto rendimiento. Crédito: Neon_dust/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista ACS Applied Materials & Interfaces propone una estrategia simple para fabricar grafeno mesoporoso con aplicaciones en sistemas de almacenamiento de energía de alto rendimiento, como los supercondensadores eléctricos de doble capa (EDLC).
Condensadores eléctricos de doble capa (EDLC): descripción general y desafíos
Los sistemas de almacenamiento de energía han cobrado impulso recientemente debido a la urgente necesidad de utilizar combustibles fósiles en muchos sectores industriales, como B. el sector del transporte, experimentó mucha atención. En este contexto, los capacitores eléctricos de doble capa (EDLC) son importantes sistemas de almacenamiento de energía debido a su alta densidad de energía y excepcional estabilidad de ciclo.
Sin embargo, debido al área de contacto específica insuficiente, los sistemas de almacenamiento de energía convencionales hechos de carbón activado (AC) tienen una baja densidad de potencia, lo que conduce a una formación insuficiente de una doble capa eléctrica entre el material del electrodo y el electrolito.
Por lo tanto, se debe desarrollar un fármaco con un área de contacto específica alta para lograr densidades de energía altas y cumplir con los requisitos de los nuevos sistemas de almacenamiento de energía.
Estudios previos han intentado crear compuestos basados en carbono de área superficial alta como B. carbones estructurados altamente porosos, con fines de almacenamiento de energía. Sin embargo, los materiales tradicionales a base de carbono tienen una baja conductividad, lo que da como resultado una baja densidad de potencia y una mala estabilidad cíclica.
Grafeno mesoporoso para aplicaciones de almacenamiento de energía
El grafeno se considera un material carbonoso potencial debido a su notable conductividad eléctrica. Sin embargo, el alto contacto de van der Waals entre las capas de grafeno hace que el apilamiento sea inevitable, lo que da como resultado un área de superficie disponible limitada.
Esta desventaja inherente del grafeno se puede superar agregando una microestructura porosa tridimensional (3D) que aumenta el área de superficie disponible mientras mantiene propiedades eléctricas beneficiosas.
El material resultante, conocido como grafeno mesoporoso, combina las ventajas del grafeno, la morfología 2D ultrafina y las estructuras mesoporosas, y mejora significativamente las densidades de potencia y energía de los dispositivos de almacenamiento de energía, como los condensadores eléctricos de doble capa (EDLC).
Varios grupos de investigación han intentado sintetizar grafeno mesoporoso 3D utilizando una técnica asistida por plantillas catalíticas. Sin embargo, debido a una plantilla catalítica volátil, el diámetro de los poros y el área de contacto eran bastante grandes. Por lo tanto, el desarrollo de una técnica eficiente para sintetizar grafeno mesoporoso 3D con una gran área de contacto para EDLC de alta densidad de energía sigue siendo un gran desafío.
¿Qué hicieron los investigadores en este estudio?
En este estudio, los investigadores crearon grafeno mesoporoso en 3D mediante el uso de copolímeros de bloque (BCP) para construir la plantilla activa mesoestructurada y el recurso de carbono. Un copolímero de bloque de poli(estireno) poli(2-vinilpiridina) anfifílico (PS-b-P2VP) se hinchó en etanol calentado y luego se deshidrató para generar una plantilla mesoestructurada.
El recubrimiento sin electricidad generó la plantilla reactiva depositando selectivamente un precursor de níquel como catalizador de grafeno en la capa de P2VP.
Curiosamente, la arquitectura altamente porosa del grafeno mesoporoso se conservó con éxito durante la descomposición catalítica incluso a altas temperaturas, ya que la dureza mecánica del compuesto PS-b-P2VP es suficiente para actuar como un refuerzo rígido y evitar la agregación del catalizador de níquel.
La superficie del grafeno mesoporoso producido de esta manera se examinó utilizando técnicas de última generación como microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Se utilizó la técnica de Barrett-Joyner-Halenda (BJH) para calcular la distribución del tamaño de poro en partículas mesoporosas de grafeno de las ramas de adsorción y desorción.
Puntos importantes de la investigación
Las plantillas mesoestructuradas mantuvieron adecuadamente sus arquitecturas sin fallas estructurales tras la descomposición catalítica a alta temperatura, lo que permitió la síntesis de grafeno mesoporoso con un diámetro de poro de 3,5 nanómetros. El grafeno mesoporoso así preparado tenía una forma bicontinua, con el grafeno ensamblado en mesoporos 3D con una gran área de contacto.
La gran área específica de contacto y el pequeño diámetro de los poros permitieron que una cantidad significativa de electrolitos penetraran en el grafeno mesoporoso. Además, las vías conductoras de electricidad en las láminas de grafeno mesoporoso dieron como resultado una transferencia de electrones altamente eficiente en la interfaz.
Cuando se utilizaron grafeno mesoporoso y líquidos iónicos como material de electrodo y electrolito, el EDLC resultante mostró un rendimiento de alto voltaje y una notable eficiencia de almacenamiento de energía, incluida una alta capacidad específica, alta densidad de potencia y buena estabilidad cíclica.
Estos resultados sugieren que el grafeno mesoporoso podría ser un material de carbono prometedor para fabricar sistemas de almacenamiento de energía electrolítica de alto rendimiento.
Relación
Kim, K.-W. et al. (2022). Fabricación de plantillas blandas de grafenos mesoporosos para sistemas de almacenamiento de energía de alto rendimiento. Interfaces y materiales aplicados de ACS. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c12948
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