Små bucklor i ytan av grafen förbättrar avsevärt dess potential som superkondensator. Ännu bättre, det kan göras av koldioxid.

En materialforskare vid Michigan Technological University uppfann en ny metod för att ta koldioxid och förvandla den till 3D-grafen med mikroporer över dess yta. Processen är i fokus för en ny studie publicerad i American Chemical Society's Tillämpade material och gränssnitt .

Omvandlingen av koldioxid till användbara material kräver vanligtvis hög energitillförsel på grund av dess ultrahöga stabilitet. Dock, professor i materialvetenskap Yun Hang Hu och hans forskargrupp skapade en värmeavgivande reaktion mellan koldioxid och natrium för att syntetisera 3D ytmikroporös grafen.

"3D ytmikroporös grafen är ett helt nytt material, " säger Hu, förklara att materialets yta är pockad med mikroporer och viks till större mesoporer, som båda ökar den tillgängliga ytan för adsorption av elektrolytjoner. "Det skulle vara ett utmärkt elektrodmaterial för energilagringsenheter."

Holey superkondensatorer

De superkapacitiva egenskaperna hos den unika strukturen av 3D ytmikroporös grafen gör den lämplig för hissar, bussar, kranar och alla applikationer som kräver en snabb laddnings-/urladdningscykel. Superkondensatorer är en viktig typ av energilagringsenhet och har använts i stor utsträckning för regenerativa bromssystem i hybridfordon.

I grund och botten, ett superkondensatormaterial behöver lagra – och frigöra – en laddning. Den begränsande faktorn är hur snabbt joner kan röra sig genom materialet.

Nuvarande kommersialiserade superkondensatorer använder aktivt kol med hjälp av strängar av mikroporer för att ge effektiv laddningsackumulering. Dock, elektrolytjoner har svårt att diffundera in i eller genom dess djupa mikroporer, öka laddningstiden.

"Den nya 3-D ytmikroporösa grafenen löser detta, "Hu säger. "De sammankopplade mesoporerna är kanaler som kan fungera som en elektrolytreservoar och ytmikroporerna adsorberar elektrolytjoner utan att behöva dra jonerna djupt in i mikroporerna."

Mesoporen är som en hamn och elektrolytjonerna är fartyg som kan lägga till i mikroporerna. Jonerna behöver inte resa ett stort avstånd mellan segling och dockning, vilket avsevärt förbättrar laddnings-/urladdningscyklerna de kan styra igenom. Som ett resultat, materialet uppvisade en ultrahög ytkapacitans på 1,28 F/cm2, vilket anses vara en utmärkt hastighetsförmåga samt enastående cykelstabilitet för superkondensatorer.

Från Thin Air

För att syntetisera materialet från koldioxid, Hus team tillsatte koldioxid till natrium, följt av att temperaturen höjs till 520 grader Celsius. Reaktionen kan frigöra värme istället för att kräva energiinsats.

Under processen, koldioxid bildar inte bara 3D-grafenark, men gräver också mikroporerna. De små bucklorna är bara 0,54 nanometer djupa i ytskikten av grafen.

Hus arbete finansieras av National Science Foundation (NSF) och beskrivs i detalj i ACS tillämpade material och gränssnitt artikel "Ett idealiskt elektrodmaterial, 3D ytmikroporös grafen för superkondensatorer med ultrahög arealkapacitans."