Defekter på grafenelektrode ændrer opførsel af elektrode-elektrolytgrænseflade

Graphene, et enkelt lag carbonatomer, er et attraktivt elektrodemateriale til superkapacitorapplikationer på grund af dets høje overfladeareal. Imidlertid, hvordan elektrolytterne interagerer med kulstof til lagring af energi, er stadig ikke godt forstået. Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og Princeton University undersøgte, hvordan overfladekemien af ​​grafen påvirker ladningsmagasinet. De fandt ud af, at defekterne på grafenoverfladen ændrer væskens interaktion med overfladen. Den ioniske væskes kationer, dvs. positive ioner, aggregat nær en defekt, og anionerne eller negative ioner frastødes af det, ændring af den ioniske væskes molekylære arrangement på overfladen.

"At identificere, hvordan de ladede ioniske arter binder sig til elektrodeoverfladen, er meget vigtig for at øge lagerkapaciteten og forbedre ladning-afladningskinetikken for energilagringsenheder, "sagde Dr. M. Vijayakumar, der ledede forskningen.

Traditionelle superkapacitorer er lavet af kulstof med et højt overfladeareal. Imidlertid, grafen har potentielt det højeste overfladeareal blandt kulstofmaterialer og, dermed, kunne øge den specifikke kapacitet betydeligt. Imidlertid, det er svært at forstå og kontrollere, hvordan de ladede ioniske arter inkorporeres og transporteres i grafenelektroderne. Teamets forskning giver grundlæggende indsigt i de molekylære strukturer, der er bygget, når grafen har funktionelle grupper eller defekter, der interagerer med elektrolytten. Undersøgelsen giver forskere en grundlæggende forståelse for at skabe bedre materialer til energilagring.

"Problemet er, at de fleste undersøgelser er baseret på den antagelse, at der bruges defektfrit grafen, som ikke er realistisk og fordrejer fortolkningen af ​​forskningsresultaterne, sagde Dr. Birgit Schwenzer, en materialeforsker, der arbejdede med undersøgelsen. "Vi ville vide, hvilken indflydelse defekterne ville have på grafeninteraktionerne med elektrolytter."

Forskerne blandede eksfolieret grafen med den ioniske væske. I modsætning til andre elektrolytter, den ioniske væske indeholder omfangsrige organiske negativt og positivt ladede ioner. I dette tilfælde, kationen var 1-butyl-3-methyl-imidazolium (BMIM+), og anionen var trifluormethansulfonat (TfO-). Et tyndt lag ionisk væske dannet omkring grafenflagerne. Teamet analyserede det tynde lag ved hjælp af 11,7 Tesla magnetfelt magisk vinkel, der spinder atommagnetisk resonansspektrometer, Røntgenfotoelektronspektroskopi ved EMSL og Fourier-transform infrarød spektroskopi i Physical Sciences Laboratory på PNNL.

De korrelerede spektrene med beregningsmodeller for interaktionen mellem et ionisk flydende molekyle og grafen med en enkelt defekt eller funktionel gruppe, såsom en hydroxylgruppe, som er et oxygenatom og et hydrogenatom, fastgjort til overfladen. Modellerne blev bygget ved hjælp af densitet funktionel teori med empirisk dispersion korrektion baserede metoder.

"Vi vil gerne understrege, at modellen kun overvejer en hydroxylgruppe, "sagde Vijayakumar." Mere detaljerede teoretiske undersøgelser med flere funktionelle grupper er i gang, hvilket vil give os en dybere forståelse af grænsefladeområdet. "

Teamet fandt ud af, at funktionelle grupper på overfladen ændrer det molekylære arrangement af væskens kationer og anioner. For eksempel, kationerne er mere tilbøjelige til at blive absorberet nær de oxygenholdige funktionelle grupper, på grund af den relativt højere tiltrækning af den ioniske væskes positivt ladede kation til det negativt ladede oxygen i hydroxylgruppen. Yderligere, de negativt ladede defekter afviser TfO-anionerne. Både kationer og anioner udviser en række forskellige molekylære orienteringer nær de funktionelle grupper på grafenoverfladen, langt anderledes end deres perfekte arrangement på fejlfrit materiale.

Denne undersøgelse er et principbevis, viser, hvordan grafen med defekter og ioniske væskeinteraktioner kan studeres. Nu, de søger at udvide deres forskning til forskellige molekylære modeller, der er i stand til at håndtere flere defekter på grafenoverfladen og andre kompleksiteter.