Et simpelt stykke energilagring

At omdanne grafitoxid (GO) til fuldgyldige superkondensatorer viser sig at være enkelt. Men indtil et laboratorium på Rice University fandt ud af hvordan, det var alt andet end indlysende.

Risprofessor Pulickel Ajayan og hans team opdagede, at de kunne omdanne et ark GO til en funktionel superkondensator ved at skrive mønstre ind i det med en laser. Forskere vidste allerede, at varmen fra en laser kunne omdanne GO - den oxiderede form af grafit, eller kulstofbaseret blyant - til elektrisk ledende reduceret grafitoxid (RGO). Ved at skrive mønstre af RGO i tynde ark af GO, Rice-forskerne forvandlede dem effektivt til fritstående superkondensatorer med evnen til at lagre og frigive energi over tusindvis af cyklusser.

Opdagelsen blev rapporteret i denne uge i online-udgaven af Natur nanoteknologi .

Det overraskende fund var, at GO, når de er hydreret, kan holde ioner og tjene som en fast elektrolyt og en elektrisk isolerende separator. "Det er ret nemt, da GO opsuger vand som en svamp og kan holde op til 16 procent af sin vægt, " sagde Wei Gao, hovedforfatter af papiret og en kandidatstuderende i Ajayan Lab.

"Det grundlæggende gennembrud her er, at GO, når den indeholder vand, fungerer som en ionisk leder, " sagde Ajayan, Rice's Benjamin M. og Mary Greenwood Anderson professor i maskinteknik og materialevidenskab og i kemi. "Så vi er i stand til at konvertere et ark GO til en superkondensator uden at tilføje noget. Alt du behøver er et mønster og elektroderne, og du har en enhed. Selvfølgelig fungerer enhederne også i nærværelse af eksterne elektrolytter, hvilket er endnu bedre.

"Jeg tror, ​​du kommer til at se en masse små enheder, der har brug for mindre strømkilder. Enheder i mellemstørrelse kan også være drevet af dette materiale; det er meget skalerbart."

Som et kontroleksperiment, holdet sugede alt vandet ud af en RGO-GO-RGO-enhed i et vakuum for at dræbe dens ioniske ledningsevne. Ved at udsætte den for luft i tre timer genoprettede dens superkondensatorfunktion fuldstændigt, en anden potentielt praktisk egenskab.

For at bygge en fuldt funktionel superkondensator, ledende elektrodematerialer skal adskilles af en isolator, der indeholder elektrolytten. Når laserskrevne mønstre af ledende RGO er adskilt af GO, materialet bliver en energilagringsenhed, sagde Gao. Mønstrene kan være lagdelte top og bund eller på samme plan.

I deres eksperimenter, varme fra en laser hos Rice's Oshman Engineering Design Kitchen sugede ilt ud af overfladen for at skabe mørke, porøs RGO, hvilket gav et niveau af modstand og tilbageholdt de GO-holdige ioner indtil deres kontrollerede frigivelse. Mønstre blev skrevet i GO med næsten en mikron nøjagtighed.

I det væsentlige, enhederne udviste god elektrokemisk ydeevne - uden kemikalierne.

Test af enhederne hos Rice og af kolleger ved University of Delaware viste, at deres ydeevne sammenligner sig positivt med eksisterende tyndfilms mikro-superkondensatorer. De udviser protontransportegenskaber svarende til Nafions, en kommerciel elektrolytmembran opdaget i 1960'erne, sagde Ajayan.

Selvom laboratoriet ikke vil lave flade superkondensatorer i bulk på det nærmeste, Ajayan sagde, at forskningen åbner vejen for interessante muligheder, herunder enheder til brug i brændselsceller og lithiumbatterier.

Han sagde, at opdagelsen er overraskende, "fordi mange mennesker har kigget på grafitoxid i fem eller 10 år nu, og ingen har set, hvad vi ser her. Vi har opdaget en grundlæggende mekanisme af grafitoxid - en ionisk ledende membran - som er nyttig til applikationer."