Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) gelten aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit, großen theoretischen Oberfläche und guten chemischen Stabilität als ideale elektrochemische Energiespeichermaterialien.
Allerdings neigen CNTs aufgrund der starken Van-der-Waals-Kräfte zur Aggregation, was ihre elektrochemisch aktive Fläche verringert. Dieses Problem ist bei einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs) aufgrund ihres hohen Längen-Durchmesser-Verhältnisses noch schlimmer.
Kürzlich hat ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Wang Xiao vom Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Dr. Zhu Sheng von der Shanxi-Universität und Prof. Li Yan von der Peking-Universität Polyoxometallat-Gastmoleküle eingekapselt innerhalb von SWNTs (mit einem Durchmesser von ca. 1,4 nm), um die elektrochemische Energiespeicherung von CNTs zu verbessern.
Die Studie wurde veröffentlicht in Zellberichte Physikalische Wissenschaft am 8. Juni.
Aufgrund des Einschlusseffekts von CNTs bilden Polyoxometallatmoleküle eindimensionale kettenartige Strukturen im CNT-Hohlraum. Solche wohldefinierten Polyoxometallat@SWNT-Hybride sind vielversprechende Kandidaten für Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren.
Der Elektronentransfer von CNTs zu Polyoxometallaten verringert die Oberflächenladungsdichte von Nanoröhren, was dann die Van-der-Waals-Kräfte schwächt und die Aggregation unterdrückt. Dementsprechend weisen mit Polyoxometallaten gefüllte SWNTs eine größere elektrochemisch aktive Fläche und eine höhere Doppelschichtkapazität auf.
Polyoxometallatmoleküle können durch reversible Redoxreaktionen Pseudokapazität bereitstellen und so die kapazitive Leistung der Polyoxometallat@SWNT-Hybride verbessern. Bemerkenswert ist, dass der Einschlusseffekt von CNTs die Zyklenstabilität eingekapselter Polyoxometallate erheblich verbessert.
Dadurch weist dieses eindimensionale Hybridmaterial verbesserte elektrochemische Energiespeichereigenschaften mit einer spezifischen Kapazität von 328,6 Farad pro Gramm (bei 10 Millivolt pro Sekunde) auf, was höher ist als die von reinen SWNTs (172,2 Farad pro Gramm). Darüber hinaus behält der zusammengebaute Superkondensator nach 10.000 Zyklen eine Kapazitätserhaltungsrate von 91,3 % bei.
„Unsere Studie bietet wertvolle Einblicke in die Forschung zum Einschlusseffekt von CNTs, der ein enormes Potenzial für die Nutzung leistungsstarker Energiespeicher- und -umwandlungsmaterialien birgt“, sagte Dr. Wang Xiao, einer der korrespondierenden Autoren der Studie.
Mehr Informationen:
Sheng Zhu, Eindimensionale Heterostrukturen von mit Polyoxometallaten verkapselten Kohlenstoffnanoröhren für eine verbesserte kapazitive Energiespeicherung, Zellberichte Physikalische Wissenschaft (2023). DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101446. www.cell.com/cell-reports-phys … 2666-3864(23)00225-4