Grafeno, uma única camada de átomos de carbono, é um material de eletrodo atraente para aplicações de supercapacitor devido à sua grande área de superfície. Contudo, como os eletrólitos interagem com o material de carbono para armazenar energia ainda não é bem compreendido. Cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e da Universidade de Princeton investigaram como a química da superfície do grafeno afeta o mecanismo de armazenamento de carga. Eles descobriram que os defeitos na superfície do grafeno alteram a interação do líquido com a superfície. Os cátions do líquido iônico, ou seja, íons positivos, agregar perto de um defeito, e os ânions ou íons negativos são repelidos por ele, alterando o arranjo molecular do líquido iônico na superfície.

"Identificar como as espécies iônicas carregadas se ligam à superfície do eletrodo é muito importante para aumentar a capacidade de armazenamento e melhorar a cinética de carga-descarga para dispositivos de armazenamento de energia, "disse o Dr. M. Vijayakumar, quem liderou a pesquisa.

Os supercondensadores tradicionais são feitos de carbono de alta área superficial. Contudo, o grafeno tem potencialmente a maior área de superfície entre os materiais de carbono e, portanto, poderia aumentar significativamente a capacidade específica. Contudo, é difícil entender e controlar como as espécies iônicas carregadas são incorporadas e transportadas nos eletrodos de grafeno. A pesquisa da equipe fornece insights fundamentais sobre as estruturas moleculares construídas quando o grafeno tem grupos funcionais ou defeitos que interagem com o eletrólito. O estudo fornece aos cientistas uma compreensão básica para criar melhores materiais para armazenamento de energia.

"O problema é que a maioria dos estudos é baseada na suposição de que o grafeno livre de defeitos é usado, o que não é realista e distorce a interpretação dos resultados da pesquisa, "disse a Dra. Birgit Schwenzer, um cientista de materiais que trabalhou no estudo. "Queríamos saber que influência os defeitos teriam nas interações do grafeno com os eletrólitos."

Os pesquisadores misturaram o grafeno esfoliado com o líquido iônico. Ao contrário de outros eletrólitos, o líquido iônico contém íons orgânicos volumosos carregados negativamente e positivamente. Nesse caso, o cátion era 1-butil-3-metil-imidazólio (BMIM +), e o ânion era trifluorometanossulfonato (TfO-). Uma fina camada de líquido iônico se formou ao redor dos flocos de grafeno. A equipe analisou a camada fina usando espectrômetro de ressonância magnética nuclear giratória de ângulo mágico de 11,7 Tesla de campo magnético, Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X no EMSL e espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier no Laboratório de Ciências Físicas do PNNL.

Eles correlacionaram os espectros com modelos computacionais da interação entre uma molécula de líquido iônico e grafeno com um único defeito ou grupo funcional, como um grupo hidroxila, que é um átomo de oxigênio e um átomo de hidrogênio, preso à superfície. Os modelos foram construídos usando a teoria do funcional da densidade com métodos empíricos baseados na correção da dispersão.

“Gostaríamos de enfatizar que o modelo considera apenas um grupo hidroxila, "disse Vijayakumar." Estudos teóricos mais detalhados com grupos mais funcionais estão em andamento, o que nos dará uma compreensão mais profunda da região interfacial. "

A equipe descobriu que grupos funcionais na superfície mudam o arranjo molecular dos cátions e ânions do líquido. Por exemplo, os cátions são mais propensos a serem absorvidos perto dos grupos funcionais contendo oxigênio, devido à atração relativamente maior do cátion carregado positivamente do líquido iônico para o oxigênio carregado negativamente no grupo hidroxila. Avançar, os defeitos carregados negativamente repelem os ânions TfO. Ambos os cátions e ânions exibem uma variedade de orientações moleculares perto dos grupos funcionais na superfície do grafeno, muito diferente de seu arranjo perfeito em um material sem defeitos.

Este estudo é uma prova de princípio, mostrando como o grafeno com defeitos e interações de líquido iônico podem ser estudados. Agora, eles estão procurando estender sua pesquisa a diferentes modelos moleculares capazes de lidar com mais defeitos na superfície do grafeno e outras complexidades.