Cientistas da Skoltech, A Universidade Estadual de Moscou (MSU) e o Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT) propuseram uma nova abordagem para substituir átomos de carbono por átomos de nitrogênio na rede cristalina do supercapacitor e desenvolveram um novo método de aumento de capacidade baseado na modificação da rede de carbono com a ajuda de plasma . Suas descobertas podem ajudar a criar a próxima geração de fontes de energia para eletrônicos portáteis. Os resultados de seu estudo foram publicados em Relatórios Científicos .

Conforme os dispositivos portáteis evoluem, a demanda por novos tipos de fontes de energia cresce. Os cientistas continuam procurando uma maneira eficaz de melhorar o desempenho das fontes de energia eletroquímica. Uma fonte química de corrente, o supercapacitor se distingue por altas taxas de carga e descarga e uma maior capacidade de armazenamento de energia por unidade de massa ou volume em comparação com uma bateria. É comum o uso de materiais porosos, como carbono ou metais porosos, para supercondensadores, entretanto, os metais tornam a fonte muito mais pesada. Existem várias maneiras de aumentar a capacidade das fontes de energia eletroquímica, mantendo seu peso inalterado, por exemplo, usando outros elementos mais leves ou incorporando os átomos de outro elemento na estrutura do cristal (dopagem). Acredita-se que o segundo método oferece melhores perspectivas, uma vez que permite fácil incorporação de átomos no estágio de síntese da estrutura de carbono. O nitrogênio é um dos elementos considerados para dopagem. O nitrogênio está envolvido nas reações redox, o que leva a um aumento adicional da capacidade. Embora os cientistas estejam há muito cientes do método de dopagem, o efeito do nitrogênio nas características eletroquímicas ainda é pouco compreendido.

Um grupo de cientistas liderado pelo pesquisador sênior da Skoltech, Dr. Stanislav Evlashin, demonstrou uma maneira simples de aumentar o desempenho eletroquímico dos supercapacitores. Sua abordagem fornece uma visão melhor do processo de incorporação de nitrogênio. Os pesquisadores realizaram os experimentos usando nanoparedes de carbono feitas de folhas de grafeno orientadas verticalmente, no qual eles substituíram parte do carbono por nitrogênio usando o tratamento da estrutura do carbono por plasma. Os resultados do estudo são um passo importante para a criação de novas fontes de energia.

"Neste estudo, usamos uma abordagem de pós-tratamento de plasma para melhorar a capacidade dos eletrodos, "explica o Dr. Evlashin." Usamos estruturas de carbono com uma alta área de superfície específica como um material para dopagem no plasma de nitrogênio e substituímos uma parte dos átomos de carbono por átomos de nitrogênio para aumentar a capacidade eletroquímica da fonte de energia. Esta abordagem pode ser aplicada para modificar qualquer estrutura de carbono. As amostras obtidas foram testadas usando vários métodos. Os resultados experimentais mostraram um aumento de seis vezes na capacidade eletroquímica e excelente estabilidade de ciclo. Também realizamos simulação DFT do processo de incorporação de nitrogênio que lança alguma luz sobre os complexos mecanismos de incorporação. "