Att göra grafitoxid (GO) till fullvärdiga superkondensatorer visar sig vara enkelt. Men tills ett laboratorium vid Rice University fick reda på hur, det var allt annat än uppenbart.

Risprofessor Pulickel Ajayan och hans team upptäckte att de kunde förvandla ett ark GO till en funktionell superkondensator genom att skriva in mönster i det med en laser. Forskare visste redan att värmen i en laser kan omvandla GO - den oxiderade formen av grafit, eller kolbaserad blyertsledning-till elektriskt ledande reducerad grafitoxid (RGO). Genom att skriva RGO -mönster i tunna ark GO, Risforskarna gjorde dem effektivt till fristående superkondensatorer med möjlighet att lagra och släppa ut energi under tusentals cykler.

Upptäckten rapporterades i veckan i onlineutgåvan av Naturnanoteknik .

Det överraskande fyndet var att GO, vid hydratisering, kan hålla joner och fungera som en fast elektrolyt och en elektriskt isolerande separator. "Det här är ganska enkelt, som GO suger upp vatten som en svamp och kan hålla upp till 16 procent av sin vikt, "sa Wei Gao, huvudförfattare till tidningen och en doktorand i Ajayan Lab.

"Det grundläggande genombrottet här är att GO, när det innehåller vatten, fungerar som en jonisk ledare, "sa Ajayan, Rices Benjamin M. och Mary Greenwood Anderson professor i maskinteknik och materialvetenskap och kemi. "Så vi kan konvertera ett ark GO till en superkapacitor utan att lägga till någonting. Allt du behöver är ett mönster och elektroderna, och du har en enhet. Naturligtvis fungerar enheterna också i närvaro av externa elektrolyter, vilket är ännu bättre.

"Jag tror att du kommer att se många små enheter som behöver mindre strömkällor. Medelstora enheter kan också drivas av detta material. Det är mycket skalbart."

Som ett kontrollexperiment, laget sugit allt vatten ur en RGO-GO-RGO-enhet i ett vakuum för att döda dess joniska konduktivitet. Att utsätta den för luft i tre timmar återställde sin superkondensator helt, en annan potentiellt praktisk egenskap.

För att bygga en fullt fungerande superkondensator, ledande elektrodmaterial måste separeras av en isolator som innehåller elektrolyten. När laserskrivna mönster för ledande RGO separeras med GO, materialet blir en energilagringsanordning, Sa Gao. Mönstren kan vara skiktade upp och ner eller på samma plan.

I deras experiment, värme från en laser på Rice's Oshman Engineering Design Kitchen sugade ut syre ur ytan för att skapa mörkret, porös RGO, vilket gav en resistensnivå och begränsade de GO-innehållande jonerna tills de kontrollerades frigöras. Mönster skrevs i GO med nästan en mikrons noggrannhet.

Väsentligen, enheterna uppvisade god elektrokemisk prestanda - utan kemikalier.

Testning av enheterna på Rice och av kollegor vid University of Delaware visade att deras prestanda kan jämföras positivt med befintliga tunnfilms mikro-superkondensatorer. De uppvisar protontransportegenskaper som liknar Nafions, ett kommersiellt elektrolytmembran som upptäcktes på 1960 -talet, Sa Ajayan.

Även om labbet inte kommer att göra platta superkondensatorer i bulk när som helst snart, Ajayan sa att forskningen öppnar vägen för intressanta möjligheter, inklusive enheter för användning i bränsleceller och litiumbatterier.

Han sa att upptäckten är överraskande "eftersom många människor har tittat på grafitoxid i fem eller tio år nu, och ingen har sett vad vi ser här. Vi har upptäckt en grundläggande mekanism för grafitoxid - ett joniskt ledande membran - som är användbart för applikationer. "