Óxido de grafeno para las nuevas generaciones de baterías y supercondensadores

Estos hermosos patrones de bronce aparecieron cuando coloqué una gota de agua que contenía óxido de grafeno bajo un microscopio óptico mientras el agua se evaporaba.

Con eso, estoy ayudando a desarrollar nuevas aplicaciones basadas en el grafeno: baterías, “supercondensadores” (dispositivos que permiten cargar y descargar muy rápidamente una alta potencia eléctrica en comparación con las baterías) o incluso detectores de moléculas específicas.

A la izquierda de la imagen, hay estructuras oscuras «dendríticas», similares a troncos y ramas, que están compuestas de óxido de grafeno. El agua no se evaporó uniformemente en la superficie, lo que se conoce como «rocío parcial». Esta área está más fuera de la gota.

El secado avanza hacia el centro, la estructura se vuelve densa y observamos una zona oscura, llena de óxido de grafeno.

El óxido de grafeno se ha aglomerado tanto en los bordes de la gota que no queda nada en el centro: al final del secado, solo queda una pequeña gota de agua, que contiene muy poco óxido de grafeno. Es el círculo central claro de la imagen, que está punteado: solo se depositaron pequeños agregados de óxido de grafeno en la superficie en los últimos momentos de secado.

Si volvemos con ojo entrenado a la zona oscura entre las dendritas y el círculo central, veremos que el color no es homogéneo. Hay zonas con tendencia al verde y otras con tendencia al marrón … así como algunas manchas negras dispersas por donde no pasa la luz.

Estos «colores estructurales», también llamados «colores físicos», son creados por varios fenómenos ópticos. Estos son, por ejemplo, los interferencia de película delgada, como los que se ven en un charco de aceite en un suelo húmedo. Estos colores demuestran que esta zona no tiene un grosor constante y, sobre todo, que no es plana, sino al menos rugosa.

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¿Por qué estudiar el secado de las gotas de óxido de grafeno?

Comprender las múltiples heterogeneidades en la película de óxido de grafeno seco es importante para desarrollar aplicaciones basadas en grafeno a través de química suave y a bajo costo.

El grafeno conduce muy bien la electricidad, pero no es necesariamente fácil de manejar. Por tanto, podemos utilizar óxido de grafeno: grafeno en láminas de unos diez nanómetros de longitud a unos pocos micrómetros, que se pueden dispersar en agua gracias a la presencia de átomos de hidrógeno y oxígeno en la superficie de las valvas. La desventaja es que estos átomos reducen la conductividad eléctrica en un factor de mil en comparación con el grafeno puro; es necesario hacer termólisis, en un horno o con un láser, por ejemplo, para recuperarla parcialmente.

Buscamos optimizar los electrodos basados ​​en grafeno / óxido de grafeno en dispositivos de almacenamiento de energía como supercondensadores.

Para ello, es importante comprender cómo se secan las gotas que contienen óxido de grafeno. De hecho, en un supercondensador, el electrodo está en contacto con un líquido (o un gel): el «electrolito». La calidad de la carga y descarga del condensador depende de la calidad de la interfaz entre el electrodo y el electrolito (no debería haber demasiadas heterogeneidades).

Los supercondensadores se pueden cargar y descargar hasta 1000 veces más rápido que las baterías convencionales, como las baterías de iones de litio con una vida útil (número de ciclos de carga / descarga) también 1000 veces más larga sin pérdida de rendimiento.

en el equipo Nanociencias y nanotecnologías del departamento de investigación de l’ECE París, estamos estudiando estos dispositivos de almacenamiento de energía compuestos por electrodos. a base de óxido de grafeno y líquidos iónicos para el electrolito.

Secar gotas sobre sustratos o «Drop casting», es una técnica sencilla, fácil y rápida para preparar una superficie y modificar sus propiedades mediante la deposición de láminas de óxido de grafeno a partir de dispersiones acuosas. Comprender las estructuras obtenidas durante el secado, como en la foto, así como los fenómenos físicos subyacentes, se volvió esencial con el desarrollo de las tecnologías de impresión.tintas que contienen grafeno, y en particular pinturas a base de agua (más «verdes») que contienen óxido de grafeno.