Transformar o óxido de grafite (GO) em supercondensadores completos acabou sendo simples. Mas até que um laboratório da Rice University descobrisse como, era tudo menos óbvio.

O professor de arroz Pulickel Ajayan e sua equipe descobriram que podiam transformar uma folha de GO em um supercapacitor funcional escrevendo padrões nela com um laser. Os cientistas já sabiam que o calor de um laser poderia converter GO - a forma oxidada de grafite, ou grafite à base de carbono - em óxido de grafite reduzido condutor elétrico (RGO). Ao escrever padrões de RGO em folhas finas de GO, os pesquisadores do Rice efetivamente os transformaram em supercapacitores autônomos com a capacidade de armazenar e liberar energia ao longo de milhares de ciclos.

A descoberta foi relatada esta semana na edição online da Nature Nanotechnology .

O achado surpreendente foi que GO, quando hidratado, pode conter íons e servir como um eletrólito sólido e um separador eletricamente isolante. "Isso é muito fácil, como GO absorve água como uma esponja e pode conter até 16 por cento de seu peso, "disse Wei Gao, autor principal do artigo e estudante de graduação no Laboratório de Ajayan.

"O avanço fundamental aqui é que GO, quando contém água, atua como um condutor iônico, "disse Ajayan, Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson, Professores de Rice em Engenharia Mecânica e Ciência de Materiais e de Química. "Portanto, somos capazes de converter uma folha de GO em um supercapacitor sem adicionar nada. Tudo o que você precisa é um padrão e os eletrodos, e você tem um dispositivo. Claro que os dispositivos também funcionam na presença de eletrólitos externos, o que é ainda melhor.

"Acho que você verá muitos dispositivos minúsculos que precisam de fontes de energia menores. Dispositivos de tamanho intermediário também podem ser alimentados por esse material; é muito escalonável."

Como um experimento de controle, a equipe sugou toda a água de um dispositivo RGO-GO-RGO no vácuo para eliminar sua condutividade iônica. Expondo-o ao ar por três horas restaurou completamente sua função de supercapacitor, outra característica potencialmente útil.

Para construir um supercapacitor totalmente funcional, os materiais do eletrodo condutor precisam ser separados por um isolante que contém o eletrólito. Quando os padrões escritos a laser de condução de RGO são separados por GO, o material se torna um dispositivo de armazenamento de energia, Disse Gao. Os padrões podem ser dispostos em camadas superior e inferior ou no mesmo plano.

Em seus experimentos, o calor de um laser na cozinha de design de engenharia Oshman de Rice sugou o oxigênio da superfície para criar a escuridão, poroso RGO, que fornecia um nível de resistência e restringia os íons contidos em GO até sua liberação controlada. Os padrões foram escritos no GO com precisão de quase um mícron.

Essencialmente, os dispositivos exibiram bom desempenho eletroquímico - sem os produtos químicos.

Os testes dos dispositivos em Rice e por colegas da Universidade de Delaware mostraram que seu desempenho se compara favoravelmente com os microssupercapacitores de filme fino existentes. Eles exibem características de transporte de prótons semelhantes às do Nafion, uma membrana eletrolítica comercial descoberta na década de 1960, Ajayan disse.

Embora o laboratório não faça supercapacitores planos a granel tão cedo, Ajayan disse que a pesquisa abre caminho para possibilidades interessantes, incluindo dispositivos para uso em células de combustível e baterias de lítio.

Ele disse que a descoberta é surpreendente "porque muitas pessoas têm olhado para o óxido de grafite por cinco ou 10 anos agora, e ninguém viu o que vemos aqui. Nós descobrimos um mecanismo fundamental de óxido de grafite - uma membrana condutora iônica - que é útil para aplicações. "