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 skrze generátor pohání elektromotory, které při elektrodynamickém brzdění ukládají energii do superkondenzátorů umístěných na střeše vozidla. Takové autobusy byly v minulosti testovány 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.

Odkaz na článek: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c05054

Kontakt:
doc. RNDr. Ing. Martin Kalbáč, Ph.D.
Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR
martin.kalbacjh-inst.cas.cz
+420 266 05 3804