Bæredygtige stærkt ledende elektrodematerialer fra ultratynde carbon nanofiber aerogeler afledt af nanofibrillerede

Carbon aerogeler er ultralette, ledende materialer, som er grundigt undersøgt for anvendelser i superkondensatorelektroder i elbiler og mobiltelefoner. Kinesiske videnskabsmænd har nu fundet en måde at fremstille disse elektroder på bæredygtigt. Aerogelerne kan fås direkte fra cellulose nanofibriller, det rigelige cellevægsmateriale i træ, finder undersøgelsen rapporteret i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Superkondensatorer er kondensatorer, der kan optage og frigive en meget stor mængde energi på meget kort tid. Nøglekrav til superkondensatorelektroder er et stort overfladeareal og ledningsevne, kombineret med en simpel produktionsmetode. Et andet voksende problem i produktionen af ​​superkondensatorer - primært til smartphone- og elbilteknologier - er bæredygtighed. Imidlertid, bæredygtig og økonomisk produktion af kulstofaerogeler som superkondensatorelektrodematerialer er mulig, foreslå Shu-Hong Yu og kolleger fra University of Science and Technology i Kina, Hefei, Kina.

Carbon aerogeler er ultralette ledende materialer med et meget stort overfladeareal. De kan fremstilles på to produktionsveje:den første og billigste starter fra hovedsagelig phenolkomponenter og producerer aerogeler med forbedret ledningsevne, mens den anden rute er baseret på grafen- og kulstof-nanorør-prækursorer. Sidstnævnte metode leverer højtydende aerogeler, men er dyr og ikke-miljøvenlig. I deres søgen efter forskellige forstadier, Yu og kolleger har fundet en rigelig, langt billigere, og bæredygtig kilde:træmasse.

Godt, ikke rigtig træmasse, men dens vigtigste ingrediens, nanocellulose. Plantecellevægge stabiliseres af fibrøs nanocellulose, og dette ekstraherbare materiale har for ganske nylig stimuleret væsentlig forskning og teknologisk udvikling. Det danner en meget porøs, men meget stabilt gennemsigtigt netværk, og, ved hjælp af en nyere teknik - oxidation med en radikalopfanger kaldet TEMPO - danner den en mikroporøs hydrogel af højt orienterede cellulosenanofibriller med en ensartet bredde og længde. Da organiske aerogeler fremstilles af hydrogeler ved tørring og pyrolyse, forfatterne forsøgte pyrolyse af superkritisk eller frysetørret nanofibrilleret cellulosehydrogel.

Det viser sig, metoden var ikke så ligetil som forventet, fordi iskrystaldannelse og utilstrækkelig dehydrering hæmmede forkulning, ifølge forfatterne. Her, et trick hjalp. Forskerne pyrolyserede den tørrede gel i nærværelse af den organiske syrekatalysator para-toluensulfonsyre. Katalysatoren sænkede nedbrydningstemperaturen og gav et "mekanisk stabilt og porøst tredimensionelt nanofibrøst netværk" med et "stort specifikt overfladeareal og høj elektrisk ledningsevne, " rapporterede forfatterne.

Forfatterne demonstrerede også, at deres træafledte carbonaerogel fungerede godt som en bindemiddelfri elektrode til superkondensatorapplikationer. Materialet udviste elektrokemiske egenskaber, der kan sammenlignes med kommercielle elektroder. Metoden er en interessant og innovativ måde at fremstille bæredygtige materialer, der egner sig til brug i højtydende elektroniske enheder.