Tilføjelse af gennemsigtighed til grafenpapir forbedrer superkapacitansen

(Phys.org)—For første gang, videnskabsmænd har integreret gennemsigtighed i fritstående, fleksibelt grafenpapir (FFT-GP), og demonstrerede, at det nye materiale i høj grad kan forbedre ydeevnen for superkapacitorer.

"Fristående fleksibelt og gennemsigtigt grafenpapir blev syntetiseret for første gang, og kapacitansen blev forbedret med næsten 1000 gange sammenlignet med den for de laminerede eller rynkede kemiske dampaflejringer grafenfilm-baserede superkondensatorer, "Chengxin Wang, Professor ved Sun Yat-sen (Zhongshan) University i Guangzhou, Kina, fortalte Phys.org . "Kapacitansen for superkondensatorerne baseret på FFT-GP er også mindst ti gange større end tidligere rapporterede værdier for transparente og fleksible superkondensatorer baseret på rene kulstofmaterialer. nogle kulstofbaserede ikke-transparente superkondensatorer yder stadig bedre end den FFT-GP-baserede transparente superkondensator."

Wang og hans medforfattere har offentliggjort et papir om det nye materiale i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Den forbedrede ydeevne stammer i høj grad fra de prisme-lignende grafenbyggesten, som FFT-GP er lavet af. De hule strukturer af det prismelignende grafen, der giver materialet dets gennemsigtighed, giver også ekstra plads til, at kemiske reaktioner kan forekomme i forhold til andre materialer. Ud over, de afstemte og indbyrdes forbundne prisme-lignende strukturer giver en vid åben motorvej for ioner og elektroner at rejse langs, og den gode ladetransport fører til en samlet bedre ydeevne.

For at lave det nye materiale, forskerne måtte overvinde den største hindring for syntesen af ​​tynde, gennemsigtige grafen plader, hvilket er, at arkene let brækker, når de fjernes fra deres skabelon. Her, forskerne brugte NaCl-pulver - i det væsentlige fint formalet bordsalt - som skabelon for FFT-GP-vækst. Ved at bruge en metode kaldet mikrobølgeplasmaforstærket kemisk dampaflejring, forskerne skabte en "plasmaatmosfære" af NaCl, kulstof, og hydrogen. I slutningen af ​​denne proces, NaCl'et får lov til at omkrystallisere på et siliciumsubstrat. Disse NaCl-krystaller tjener som skabeloner, hvorpå grafenfragmenter dannes og vokser til prisme-lignende grafen, som kan pilles af underlaget ved hjælp af et barberblad.

Selvom FFT-GP, der er oprettet her, er noget rynket og har en lysebrun farve, forskerne viste, at den stadig kan modstå mere end 1, 000 bøjnings- og strækkecyklusser med lille kapacitetstab, og sender stadig tydeligt lys. Forskerne demonstrerede også en tandem-enhed lavet af to integrerede FFT-GP-baserede superkondensatorer placeret over en smartphoneskærm (for at demonstrere gennemsigtighed), der tænder en LED.

Materialets kombination af fleksibilitet, gennemsigtighed, elektrisk ledningsevne, og stort areal åbner dørene til mange nye potentielle applikationer, såsom strækbare og gennemsigtige solceller, sammenrullede skærme, og selvdrevet og bærbar optoelektronik. Den hule struktur af den prisme-lignende grafen kunne også udnyttes til andre formål, såsom at opbevare mere lysabsorberende farvestof i farvesensibiliserede solceller. Forskerne planlægger at udforske disse muligheder i fremtiden.

"Først, vi forsøger at bruge FFT-GP i farvestoffølsomme solceller, " sagde Wang. "På grund af dets hule og porøse prisme-lignende grafenbyggesten med stort effektivt overfladeareal, der kunne opbevares større mængder lysabsorberende farvestof end i andre grafenmaterialer. Måske er dette design en bedre løsning til at forbedre farvestofadsorptionen og for at forbedre lysindfangnings- og spredningsevnen sammenlignet med andre grafenmaterialer. Sekund, FFT-GP-baserede kompositter med høj teoretisk kapacitans vil blive syntetiseret for at forbedre energitætheden af ​​FFT-GP-baserede transparente superkondensatorer. Tredje, FFT-GP kunne anvendes som lithium-ion batteri anoder, og så kan et gennemsigtigt all-solid-state lithium-ion-batteri udvikles."

© 2015 Phys.org