Grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, è un materiale per elettrodi attraente per applicazioni di supercondensatori a causa della sua elevata area superficiale. Però, come gli elettroliti interagiscono con il materiale carbonioso per immagazzinare energia non è ancora ben compreso. Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e della Princeton University hanno studiato come la chimica superficiale del grafene influenzi il meccanismo di accumulo di carica. Hanno scoperto che i difetti sulla superficie del grafene alterano l'interazione del liquido con la superficie. I cationi del liquido ionico, cioè., ioni positivi, aggregato vicino a un difetto, e gli anioni o ioni negativi sono respinti da esso, alterando la disposizione molecolare del liquido ionico sulla superficie.

"Identificare come le specie ioniche cariche si legano alla superficie dell'elettrodo è molto importante per aumentare la capacità di accumulo e migliorare la cinetica di carica-scarica per i dispositivi di accumulo di energia, " ha detto il dottor M. Vijayakumar, che ha condotto la ricerca.

I supercondensatori tradizionali sono realizzati in carbonio ad alta superficie. Però, il grafene ha potenzialmente la superficie più alta tra i materiali in carbonio e, così, potrebbe aumentare significativamente la capacità specifica. Però, è difficile comprendere e controllare come le specie ioniche cariche vengono incorporate e trasportate negli elettrodi di grafene. La ricerca del team fornisce informazioni fondamentali sulle strutture molecolari costruite quando il grafene ha gruppi funzionali o difetti che interagiscono con l'elettrolita. Lo studio fornisce agli scienziati una conoscenza di base per creare materiali migliori per lo stoccaggio di energia.

"Il problema è che la maggior parte degli studi si basa sul presupposto che venga utilizzato il grafene privo di difetti, che non è realistico e distorce l'interpretazione dei risultati della ricerca, " ha detto la dottoressa Birgit Schwenzer, uno scienziato dei materiali che ha lavorato allo studio. "Volevamo sapere quale influenza avrebbero avuto i difetti sulle interazioni del grafene con gli elettroliti".

I ricercatori hanno mescolato il grafene esfoliato con il liquido ionico. A differenza di altri elettroliti, il liquido ionico contiene ioni organici ingombranti caricati negativamente e positivamente. In questo caso, il catione era 1-butil-3-metil-imidazolo (BMIM+), e l'anione era trifluorometansolfonato (TfO-). Un sottile strato di liquido ionico formato attorno ai fiocchi di grafene. Il team ha analizzato lo strato sottile utilizzando uno spettrometro a risonanza magnetica nucleare con angolo magico di campo magnetico di 11,7 Tesla, Spettroscopia fotoelettronica a raggi X presso l'EMSL e spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier presso il Laboratorio di Scienze Fisiche del PNNL.

Hanno correlato gli spettri con modelli computazionali dell'interazione tra una molecola di liquido ionico e grafene con un singolo difetto o gruppo funzionale, come un gruppo ossidrile, che è un atomo di ossigeno e un atomo di idrogeno, attaccato alla superficie. I modelli sono stati costruiti utilizzando la teoria del funzionale della densità con metodi basati sulla correzione della dispersione empirica.

"Vorremmo sottolineare che il modello considera un solo gruppo ossidrile, " ha detto Vijayakumar. "Sono in corso studi teorici più dettagliati con più gruppi funzionali, che ci darà una comprensione più profonda della regione interfacciale."

Il team ha scoperto che i gruppi funzionali sulla superficie modificano la disposizione molecolare dei cationi e degli anioni del liquido. Per esempio, i cationi hanno maggiori probabilità di essere assorbiti vicino ai gruppi funzionali contenenti ossigeno, a causa dell'attrazione relativamente maggiore del catione caricato positivamente del liquido ionico all'ossigeno caricato negativamente nel gruppo ossidrile. Ulteriore, i difetti caricati negativamente respingono gli anioni TfO. Sia i cationi che gli anioni mostrano una varietà di orientamenti molecolari vicino ai gruppi funzionali sulla superficie del grafene, molto diversi dalla loro perfetta disposizione su materiale privo di difetti.

Questo studio è una prova di principio, mostrando come si può studiare il grafene con difetti e le interazioni del liquido ionico. Ora, stanno cercando di estendere la loro ricerca a diversi modelli molecolari in grado di gestire più difetti sulla superficie del grafene e altre complessità.