Esfoliazione ottimizzata della grafite in funzione del tempo per la fabbricazione di pseudocompositi basati su grafene/GO/GrO

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14218 (2023) Citare questo articolo

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Dispositivi ad alta capacità (supercondensatori) fabbricati utilizzando materiali bidimensionali come il grafene e i suoi compositi stanno attirando recentemente grande attenzione da parte della comunità di ricerca. La sintesi di materiali 2D e dei loro compositi di alta qualità è auspicabile per la fabbricazione di supercondensatori basati su materiali 2D. L'esfoliazione in fase liquida assistita da ultrasuoni (UALPE) è una delle tecniche ampiamente utilizzate per la sintesi del grafene. In questo articolo riportiamo l'effetto della variazione del tempo di sonicazione sull'esfoliazione della polvere di grafite per estrarre un campione con proprietà ottimali adatte per le applicazioni dei supercondensatori. Tre diverse polveri di grafite (di seguito denominate campione A, campione B e campione C) sono state sonicate per una durata di 24 ore, 48 ore e 72 ore a 60 °C. L'esfoliazione della polvere di grafite in grafene, GO e GrO è stata studiata utilizzando XRD e RAMAN. AFM e SEM sono stati ulteriormente utilizzati per esaminare la struttura a strati del nanocomposito sintetizzato. La spettroscopia UV-visibile e la voltammetria ciclica sono state utilizzate per misurare le bande proibite e il comportamento capacitivo dei campioni. Il campione B ha mostrato una notevole capacità specifica di 534,53 F/g con una capacità specifica di carica di 530,1 C/g a 1 A/g e una densità di energia di 66 kW/kg. La densità di potenza variava da 0,75 kWh/kg a 7,5 kWh/kg per una variazione nella densità di corrente da 1 a 10 A/g. Il campione B ha mostrato una ritenzione capacitiva del 94%, l'impedenza più bassa e il grado più alto di esfoliazione e conduttività rispetto agli altri due campioni.

I dispositivi di accumulo dell’energia sono sempre stati un’area di ricerca fiorente a causa del continuo aumento della domanda di energia. Sono stati realizzati diversi tipi di dispositivi di accumulo dell'energia che immagazzinano energia chimicamente, elettrochimicamente, meccanicamente, cineticamente, magneticamente e termicamente ecc. Ad esempio celle a combustibile, batterie, volani, pompe idroelettriche e super magneti ecc. A causa del costante aumento dei combustibili fossili prezzi (paura dell’esaurimento) e l’aumento dell’energia ecologica ha aumentato la domanda di dispositivi di stoccaggio dell’energia. I dispositivi di accumulo dell'energia elettrochimica utilizzano l'energia chimica nel loro materiale attivo per generare energia elettrica attraverso reazioni di ossidoriduzione, in modo efficiente ed economico1. Questi dispositivi presentano un'elevata densità di energia o un'elevata densità di potenza, particolarmente adatte per l'elettronica portatile attuale e futura. Tuttavia, oggigiorno, è auspicabile il raggiungimento di un'elevata densità di energia e densità di potenza con lo stesso materiale2. I supercondensatori presentano un'elevata capacità specifica e un'elevata densità di energia che li rendono un candidato adatto per applicazioni di accumulo di energia.

I materiali bidimensionali (materiali 2D) hanno spessore su scala nanometrica e mostrano proprietà elettroniche e meccaniche superiori come mobilità degli elettroni, conduttività e resistenza meccanica. Numerosi materiali 2D sono candidati per applicazioni di accumulo di energia come grafene, dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), carburi o nitruri di metalli di transizione (MXeni) e nitruro di boro esagonale (h-BN) ecc. La maggior parte dei materiali 2D vengono esfoliati dal loro precursore 3D, per ad esempio, il grafene viene esfoliato meccanicamente dalla grafite. Nella grafite ogni atomo di carbonio è legato covalentemente con altri tre atomi di carbonio e ogni atomo di carbonio è ibridato sp3. Questi atomi di carbonio sono disposti in strati esagonali a nido d'ape con deboli forze di Van der Waal tra gli strati. Il grafene può essere esfoliato dalla grafite a causa di questo debole legame tra gli strati. Il grafene mostra proprietà straordinarie come flessibilità, conduttività termica imbattibile e comportamento elettronico. Il monostrato di grafene è un materiale a banda proibita zero con un foglio di atomi di carbonio ibridati sp2. A causa del suo gap di banda pari a zero, il suo utilizzo nei dispositivi a semiconduttore è limitato.

Il grafene monostrato fu esplorato teoricamente per la prima volta da Wallace nel 19473. Andre Geim e Kostya Novoselov usarono la tecnica di scissione micromeccanica per estrarre il grafene dalla grafite4. Il metodo della scissione micromeccanica o del nastro adesivo è un approccio dall'alto verso il basso in cui il materiale sfuso viene utilizzato ed esfoliato su scala nanometrica. Fornisce un monostrato di grafene ma non è un processo scalabile ed è molto noioso a causa delle impurità attaccate al foglio di grafene. Diverse tecniche dal basso verso l'alto vengono utilizzate per la fabbricazione del grafene come la deposizione di vapore chimico (CVD), la deposizione di vapore chimico potenziata dal plasma (PECVD), l'esfoliazione in fase liquida (LPE) e l'esfoliazione in fase liquida assistita da ultrasuoni (UALPE). Viene introdotta e ottimizzata la deposizione chimica in fase vapore (CVD) utilizzata per la deposizione del grafene su substrati metallici e il suo trasferimento su diversi substrati come SiC5,6. La dimensione massima del singolo cristallo cresciuto su substrato dielettrico mediante CVD è nell'ordine di un micron7. La deposizione chimica in fase vapore potenziata dal plasma (PECVD) supera gli svantaggi della CVD facendo crescere il grafene a temperature più basse e in meno tempo, compromettendo al contempo la qualità delle dimensioni del dominio8,9. I film di grafene 3D vengono coltivati ​​su allumina anodica nanoporosa utilizzando PECVD10. L'esfoliazione in fase liquida (LPE) è un metodo semplice, economico e scalabile per l'esfoliazione del grafene. In questo metodo non vi è alcun vincolo di temperatura e il grafene si ottiene sotto forma di sospensione e può essere utilizzato per la fabbricazione di dispositivi elettronici. Tuttavia, alcuni solventi possono richiedere un lungo tempo di sonicazione per l'esfoliazione e la quantità di grafene in dispersione è molto bassa. Recentemente, le nanopiastrine di grafene vengono esfoliate dalla grafite in un tempo di sonicazione relativamente inferiore di 3 ore utilizzando l'ossido di grafite come agente disperdente11. Il materiale simile al grafene è ottenuto mediante taglio intermittente della polvere di grafite commerciale in acqua DI utilizzando il tensioattivo Ultra Plus Konzentrat12. L'uso di semplici agenti disperdenti è fondamentale per la commercializzazione della sintesi del grafene. Nell'esfoliazione in fase liquida assistita da ultrasuoni (UALPE), la polvere viene dispersa in un solvente e le onde sonore ultrasoniche vengono fatte passare attraverso la dispersione per produrre dispersioni di grafene.