(PhysOrg.com) -- Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno contribuito a scoprire la struttura su scala nanometrica di una nuova forma di carbonio, contribuendo a spiegare perché questo nuovo materiale agisce come una spugna super assorbente quando si tratta di assorbire la carica elettrica. Il materiale, che è stato recentemente creato presso l'Università del Texas - Austin, possono essere incorporati in dispositivi di accumulo di energia "supercondensatori" con una capacità di accumulo notevolmente elevata pur mantenendo altri attributi interessanti come il rilascio di energia superveloce, tempo di ricarica rapido, e una vita di almeno 10, 000 cicli di carica/scarica.

"Queste proprietà rendono questa nuova forma di carbonio particolarmente attraente per soddisfare le esigenze di accumulo di energia elettrica che richiedono anche un rapido rilascio di energia - ad esempio, nei veicoli elettrici o per attenuare la disponibilità di energia da fonti energetiche intermittenti, come l'energia eolica e solare, ", ha affermato lo scienziato dei materiali di Brookhaven Eric Stach, un coautore di un articolo che descrive il materiale pubblicato in Scienza il 12 maggio, 2011.

I supercondensatori sono simili alle batterie in quanto entrambi immagazzinano carica elettrica. Le batterie lo fanno attraverso reazioni chimiche tra elettrodi metallici e un elettrolita liquido. Poiché queste sostanze chimiche richiedono tempo per reagire, l'energia viene immagazzinata e rilasciata in modo relativamente lento. Ma le batterie possono immagazzinare molta energia e rilasciarla per un tempo abbastanza lungo.

Supercondensatori, d'altra parte, immagazzinare carica sotto forma di ioni sulla superficie degli elettrodi, simile all'elettricità statica, piuttosto che affidarsi a reazioni chimiche. La carica degli elettrodi provoca la separazione degli ioni nell'elettrolita, o polarizzare, anche - quindi la carica viene immagazzinata nell'interfaccia tra gli elettrodi e l'elettrolita. I pori dell'elettrodo aumentano la superficie su cui l'elettrolita può fluire e interagire, aumentando la quantità di energia che può essere immagazzinata.

Ma poiché la maggior parte dei supercondensatori non può contenere la stessa carica delle batterie, il loro utilizzo è stato limitato ad applicazioni in cui sono necessarie quantità minori di energia rapidamente, o dove è essenziale un lungo ciclo di vita, come nei dispositivi elettronici mobili.

Il nuovo materiale sviluppato dai ricercatori di UT-Austin potrebbe cambiare le cose. I supercondensatori che ne derivano hanno una capacità di accumulo di energia, o densità di energia, che si sta avvicinando alla densità energetica delle batterie al piombo, pur mantenendo l'elevata densità di potenza, ovvero rilascio rapido di energia - che è caratteristico dei supercondensatori.

"Questo nuovo materiale combina gli attributi di entrambi i sistemi di accumulo elettrico, ", ha dichiarato il team leader dell'Università del Texas, Rodney Ruoff. "Siamo rimasti piuttosto sbalorditi dalle sue eccezionali prestazioni".

Il team di UT-Austin aveva deciso di creare una forma più porosa di carbonio utilizzando l'idrossido di potassio per ristrutturare le piastrine di grafene chimicamente modificate, una forma di carbonio in cui gli atomi sono disposti in anelli simili a piastrelle che si appiattiscono per formare uno spessore di un singolo atomo. fogli. Tale "attivazione chimica" è stata precedentemente utilizzata per creare varie forme di "carbone attivo, " che hanno pori che aumentano la superficie e sono utilizzati in filtri e altre applicazioni, compresi i supercondensatori.

Ma poiché questa nuova forma di carbonio era così superiore alle altre utilizzate nei supercondensatori, i ricercatori dell'UT-Austin sapevano che avrebbero dovuto caratterizzare la sua struttura su scala nanometrica.

Ruoff aveva formulato un'ipotesi che il materiale consistesse in una rete porosa tridimensionale continua con pareti spesse un solo atomo, con una frazione significativa essendo "carbonio a curvatura negativa, " simile ai buckyball dentro e fuori. Si è rivolto a Stach a Brookhaven per chiedere aiuto con un'ulteriore caratterizzazione strutturale per verificare o confutare questa ipotesi.

Il collega di Stach e Brookhaven, Dong Su, ha condotto un'ampia gamma di studi presso il Centro per i nanomateriali funzionali (CFN) del laboratorio. la sorgente di luce di sincrotrone nazionale (NSLS), e al National Center for Electron Microscopy presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, tutte e tre le strutture supportate dal DOE Office of Science. "Nei laboratori del DOE, abbiamo i microscopi con la più alta risoluzione al mondo, quindi ci siamo davvero impegnati a caratterizzare la struttura atomica, " ha detto Stac.

"I nostri studi hanno rivelato che l'ipotesi di Ruoff era in effetti corretta, e che la struttura tridimensionale in nanoscala del materiale è costituita da una rete di elementi altamente curvi, pareti spesse un atomo che formano minuscoli pori con larghezze che vanno da 1 a 5 nanometri, o miliardesimi di metro."

Lo studio include immagini dettagliate della struttura dei pori fini e delle stesse pareti di carbonio, così come le immagini che mostrano come questi dettagli si inseriscono nel quadro generale. "I dati di NSLS sono stati fondamentali per dimostrare che la nostra caratterizzazione altamente locale era rappresentativa del materiale complessivo, " ha detto Stac.

"Stiamo ancora lavorando con Ruoff e il suo team per mettere insieme una descrizione completa della struttura del materiale. Stiamo anche aggiungendo studi computazionali per aiutarci a capire come si forma questa rete tridimensionale, in modo che possiamo potenzialmente adattare le dimensioni dei pori per essere ottimali per applicazioni specifiche, compresa la memoria capacitiva, catalisi, e celle a combustibile, " ha detto Stac.

Nel frattempo, gli scienziati affermano che le tecniche di lavorazione utilizzate per creare la nuova forma di carbonio sono facilmente scalabili per la produzione industriale. "Questo materiale - essendo così facilmente fabbricabile da uno degli elementi più abbondanti nell'universo - avrà un ampio impatto sulla ricerca e sulla tecnologia sia nell'immagazzinamento dell'energia che nella conversione dell'energia, " ha detto Ruoff.