Grafen a polyanilin ve 2D jako cesta k superkondenzátorům pro elektromobilitu

Elektromobilita by mohla dostat nové rozměry. A to doslova. Vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR vyvinuli z grafenu a vodivého polymeru nové dvojrozměrné (2D) materiály a prokázali, že jsou prakticky použitelné jako superkondenzátory.

Superkondenzárory jsou alternativou rozličných lithiových baterií.

Využívají se v případech, které vyžadují opakované ukládání a odběr elektrické energie v menším množství na jednotku hmotnosti než u lithiových baterií, ale je požadováno krátké a velmi intenzivní zatížení. Jako konkrétní příklad lze uvést hybridní autobusy, jejichž dieselový motor pohánějí elektromotory, které při elektrodynamickém brždění ukládají energii do superkondenzátorů umístěných na střeše vozidla. Takové autobusy se v minulosti testovaly i v pražské městské dopravě.

Synergie kombinace uhlíkatých materiálů a vodivého polymeru, polyanilinu, byla prvně popsána před více než 10 lety. Ale až týmu pod vedením Martina Kalbáče se povedlo připravit takovéto materiály v 2D podobě, tedy definovaně a s tloušťkou odpovídající součtu rozměrů jednoho uhlíku tloušťky grafenu (syntetickému anologu tuhy) a jen o málo tlustší vrstvy polyanilinu.  

Úkolem vodivého polymeru není vést elektřinu

Ačkoli polyanilin na rozdíl od naprosté většiny plastů vykazuje elektrickou vodivost srovnatelnou s hůře vodivými kovy, jeho úkolem v superkondenzátorech není vést elektřinu. V této aplikaci se využívá jeho schopnost opakovaně se oxidovat a redukovat, tj. měnit počet elektronů, které se nacházejí v řetězci polymeru. Grafen v popsaném systému funguje jako kondenzátor. Do polyanilinu se ukládá o řád více energie než do grafenové vrstvy: samotný grafen vykázal specifickou plošnou kapacitu 2,1 µF cm−2, 2D materiál sestávající z grafenu a polyanilinu pak 21,2 µF cm−2. Studie byla zveřejněna v ACS Applied Materials & Interfaces.

Novost celého přístupu spočívá v kombinaci dvou jednoduchých syntetických kroků vedoucích k dobře definovanému materiálu. Funkcionalizace grafenu sulfonovými skupinami i příprava polyanilinové monovrstvy na površích funkcionalizovaných sulfonovými skupinami jsou postupy známé delší dobu z literatury, jen je dosud nikoho nenapadlo spojit dohromady. Ani jeden z procesů neprobíhá dokonale a jejich řiditelnost je značně omezená, ale jako dva následné kroky poskytují tenký a homogenní materiál.

Naším cílem nebylo vzít dva materiály, nějak je smísit a dostat obtížně studovatelnou a nesnadno popsatelnou směs, na které si budeme dokazovat, že je v našich silách rozumně a dobře popsat velmi komplikovaný systém. Bylo tomu přesně naopak. Na základě hlubokých znalostí chemie a fyziky obou typů látek jsme navrhovali co nejjednodušší postup vedoucí k cíli tak, abychom se následně potýkali s překážkami plynoucími z nanorozměrů vzorků, ale ne s těmi plynoucími z nepříliš dobře definovaného složení,“ popisuje výzkum první autor studie chemik Michal Bláha.

„Námi připravené 2D struktury složené z grafenu a polyanilinu mají aplikační potenciál i v elektrokatalýze, jako fotodektory nebo jako senzory plynů,“ uzavírá Martin Kalbáč z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

 

Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR rozvíjí vědecký odkaz nositele Nobelovy ceny profesora Jaroslava Heyrovského v oborech spojených s fyzikální chemií. Excelentnímu základnímu i aplikovanému výzkumu se v této veřejné výzkumné instituci věnuje přes dvě stě vědkyň a vědců, od nadějných mladých badatelů po světově uznávané špičkové odborníky. Teoreticky poznané a experimentálně získané znalosti fyzikálněchemických dějů probíhajících v molekulách a atomech jsou významné pro průmyslovou katalýzu, výrobu a uchovávání energie, zdravotnictví i životní prostředí.
YouTube
Share