Compositi contenenti resine e nano carbonio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6606 (2023) Citare questo articolo

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Qui, riportiamo la funzionalizzazione delle nano-cipolle di carbonio (CNO) con il gruppo idrossiarile e successive modifiche con resine: resorcinolo-formaldeide utilizzando Pluronic F-127 porogenico, resorcinolo-formaldeide-melamina, benzossazina composta da bisfenolo A e trietilentetramina e calix [4]derivato dal resorcinarene utilizzando F-127. Dopo la carbonizzazione diretta, sono state effettuate analisi fisico-chimiche approfondite, tra cui l'infrarosso in trasformata di Fourier, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e Raman, la microscopia elettronica a scansione e a trasmissione e l'adsorbimento-desorbimento di N2. L'aggiunta di CNO ai materiali aumenta significativamente il volume totale dei pori (fino a 0,932 cm3 g−1 per resina resorcina-formaldeide carbonizzata e CNO (RF-CNO-C) e 1,242 cm3 g−1 per resina resorcina-formaldeide-melammina carbonizzata e CNO (RFM-CNO-C)), con predominanza dei mesopori. Tuttavia, i materiali sintetizzati presentano domini scarsamente ordinati con qualche disturbo strutturale; il composito RFM-CNO-C mostra una struttura più ordinata con regioni amorfe e semicristalline. Successivamente, la voltammetria ciclica e il metodo carica-scarica galvanostatica hanno studiato le proprietà elettrochimiche di tutti i materiali. È stata studiata l'influenza delle composizioni delle resine, del contenuto di CNO e della quantità di atomi di N nello scheletro carbonioso sulle prestazioni elettrochimiche. In tutti i casi, l'aggiunta di CNO al materiale ne migliora le proprietà elettrochimiche. Il materiale di carbonio derivato da CNO, resorcinolo e melamina (RFM-CNO-C) ha mostrato la capacità specifica più alta di 160 F g−1 con una densità di corrente di 2 A g−1, che è stabile dopo 3000 cicli. L'elettrodo RFM-CNO-C mantiene circa il 97% della sua efficienza capacitiva iniziale. Le prestazioni elettrochimiche dell'elettrodo RFM-CNO-C risultano dalla stabilità della porosità gerarchica e dalla presenza di atomi di azoto nello scheletro. Questo materiale è una soluzione ottimale per i dispositivi supercondensatori.

Le società moderne dipendono dai combustibili fossili e soffrono di tutti i problemi legati all’inquinamento, al riscaldamento globale, all’aumento dei costi del carburante e alle questioni geopolitiche. A causa della crescente domanda di sistemi di stoccaggio energetico efficienti e ad alta potenza, lo sviluppo dei supercondensatori elettrochimici (SC) ha attirato molta attenzione negli ultimi anni. Il motivo principale è che gli SC hanno molte applicazioni in campi industriali, principalmente per l'industria automobilistica (cioè veicoli elettrici) e per scopi militari1,2,3. I dispositivi SC possono funzionare a velocità di potenza elevate rispetto alle batterie4,5,6,7. Tuttavia, la carica che possono immagazzinare è da 3 a 30 volte inferiore5,7,8. Gli SC sono interessanti perché offrono soluzioni uniche migliori rispetto ai condensatori elettrolitici e alle batterie, caratterizzati da diversi meccanismi di accumulo. Gli svantaggi tecnici dei dispositivi di memorizzazione convenzionali sono la capacità e la durata di conservazione limitate. Pertanto, sono stati compiuti molti sforzi per scoprire SC con elevata densità di potenza, bassa resistenza di ingresso, durata estesa, carica-scarica rapida e rispetto dell'ambiente8,9,10,11,12. I materiali più promettenti sembrano essere i nanomateriali di carbonio9,13, i polimeri conduttori14,15, gli ossidi metallici16,17 e i loro compositi18 e alcuni materiali meno studiati come strutture organiche covalenti o strutture metallo-organiche19,20, fosforo nero o nitruri metallici21, 22.

I materiali al carbonio sono ampiamente utilizzati nei condensatori per la loro versatilità morfologica e il basso costo8,9,23. In questo gruppo, le nanostrutture di carbonio (CN) presentano molte caratteristiche come diverse forme, dimensioni, stati di ibridazione, contenuto di eteroatomi e microstruttura, che svolgono un ruolo cruciale nelle proprietà e nelle applicazioni specifiche24,25. Aree superficiali elevate, pori di dimensioni adatte a immagazzinare ioni diversi, polarizzabilità e conduttività elettrica degli elettrodi sono fondamentali per caricare in modo efficiente i doppi strati elettrici (EDL)4. Le forme più studiate di nanocarbonio che stanno per trovare applicazioni pratiche nei dispositivi a condensatore elettrico sono il grafene26,27, i nanotubi di carbonio (CNT)28,29,30 e le nano-cipolle di carbonio (CNO)31,32,33.