Chimica delle superfici tra grafene e liquidi ionici
Il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, è un materiale dell’elettrodo attraente per i supercondensatori a causa della sua elevata area superficiale e della sua alta conducibilità elettronica. Analogamente, i liquidi ionici sono dei candidati eccezionali in virtù della loro elevata stabilità elettrochimica. Tuttavia, non è ancora ben chiaro come gli elettroliti con liquidi ionici interagiscono con il materiale in carbonio. Con il progetto GRAPHIL, finanziato dall’UE, gli scienziati hanno studiato come dei cambiamenti nella struttura degli elettroliti con liquidi ionici possono influire sulla struttura elettronica del grafene, che a sua volta influenza l’efficienza dei dispositivi per lo stoccaggio dell’energia. «Identificare come gli ioni carichi e la lunghezza della catena alchilica legata a ognuno di questi ioni si unisce alla superficie dell’elettrodo è molto importante per incrementare capacità ed efficienza dei sistemi di stoccaggio dell’energia», fa notare il dott. Gangamallaiah Velpula. Migliori materiali per lo stoccaggio dell’energia I condensatori elettrochimici, anche noti come supercondensatori o ultracondensatori, accumulano l’energia elettrica attraverso l’adsorbimento reversibile di ioni sulla superficie degli elettrodi. In questi dispositivi, l’elettrolita forma una connessione conduttiva ionica tra i due elettrodi. Tra i materiali carboniosi, potenzialmente il grafene possiede la più ampia area di superficie, che può incrementare notevolmente la capacità elettrica specifica. Tuttavia, è difficile comprendere come gli ioni (sia anioni che cationi) vengono trasportati e interagiscono con gli elettrodi in grafene. I ricercatori di GRAPHIL hanno fornito delle intuizioni fondamentali sulla struttura dettagliata dei film sottili di liquidi ionici in contatto con grafene e grafite, e su come essi influenzano la struttura elettronica del grafene. Lo studio fornisce agli scienziati le conoscenze relative a come sviluppare materiali più adatti ai dispositivi per lo stoccaggio dell’energia. Oltre alla loro ampia finestra elettrochimica, i liquidi ionici possiedono eccezionali proprietà fisicochimiche, quali elevata stabilità termica e non infiammabilità. Queste proprietà li rendono degli elettroliti idonei per le batterie. «L’instabilità termica rimane uno dei rischi più gravi connessi all’utilizzo delle batterie agli ioni di litio nello stoccaggio dell’energia o nelle applicazioni nei veicoli. Reazioni indesiderate tra i componenti della batteria e l’elettrolita liquido organico provocano una reazione esotermica nella batteria, causando la generazione di una quantità crescente di calore che può, alla fine, originare un incendio o un’esplosione», spiega il dott. Velpula. Elettroliti non infiammabili con liquidi ionici possono aiutare a superare le preoccupazioni relative alla sicurezza legate all’utilizzo delle batterie agli ioni di litio. Le dimensioni dell’anione contano I ricercatori hanno miscelato grafene con il liquido ionico contenente ioni caricati negativamente e positivamente. Nel primo caso, il catione utilizzato era imidazolo e l’anione era il bis(trifluorometilsulfonil)immide (Tf2N) grande e debolmente legato, mentre nel secondo caso, l’anione era il tetrafluoroborato (BF4) piccolo e fortemente legato. Usando microscopia a forza atomica, spettroscopia Raman e simulazioni molecolari, la squadra ha analizzato lo strato sottile che si forma su grafene e grafite e ha valutato l’influenza della struttura interfacciale dei liquidi ionici sulla struttura elettronica del grafene. I risultati hanno mostrato che le dimensioni dell’anione possono modificare la disposizione molecolare dei cationi e anioni liquidi sulla superficie del grafene. Per esempio, l’utilizzo combinato di Tf2N e imidazolo causa l’adsorbimento da parte di quest’ultimo sulla superficie dell’elettrodo. Al contrario, nei liquidi ionici contenenti BF4, è più probabile l’adsorbimento da parte di entrambe le particelle cariche sul grafene. Diversamente dagli anioni, si è scoperto che i cationi giocano un ruolo minore sulla nanostruttura del liquido ionico alla loro interfaccia con l’elettrodo. In particolare, il liquido ionico contenente il catione pirollidinio non-aromatico e Tf2N esercitava una debole influenza sulle proprietà del grafene; specificamente, il catione con catene alchiliche più lunghe. Questo può essere attribuito a una delocalizzazione della carica, che è meno comune nel caso del pirollidinio rispetto che nel caso dell’imidazolo. Le informazioni fondamentali fornite da GRAPHIL sulla chimica delle superfici tra grafene e liquidi ionici saranno preziose nella progettazione della struttura della superficie, che a sua volta influirà sull’efficienza dei dispositivi per lo stoccaggio dell’energia.
Parole chiave
GRAPHIL, grafene, liquido ionico, stoccaggio dell’energia, anione, catione, supercondensatore, interfaccia, chimica delle superfici
