In-situ self-doping of Lotus seed pod-based hierarchical porous carbon for high-performance supercapacitors

Immaginate la rete energetica mondiale come una città gigante e frenetica. Abbiamo pannelli solari e turbine eoliche che sono come vicini entusiasti ma imprevedibili; a volte producono un'ondata di energia, e a volte fanno un pisolino. Per mantenere accese le luci, abbiamo bisogno di dispositivi di accumulo dell'energia che possano agire come una spugna super efficiente: assorbire l'elettricità istantaneamente quando è disponibile e strizzarla fuori con la stessa rapidità quando la rete ha bisogno di una spinta. Questo è il compito dei supercondensatori. Pensateli come i velocisti del mondo dell'energia. A differenza delle batterie, che sono corridori di maratona che immagazzinano molta energia ma impiegano molto tempo per caricarsi e scaricarsi, i supercondensatori possono caricarsi in pochi secondi e durare per centinaia di migliaia di cicli. Tuttavia, c'è un problema: realizzare la "spugna" che contiene questa energia comporta solitamente lo scavo di vecchi combustibili fossili (come il carbone) e la loro cottura a temperature roventi, il che è un processo sporco e insostenibile. Gli scienziati sono alla ricerca di un modo migliore per creare queste spugne usando cose che ricrescono, come le piante, ma hanno bisogno che queste spugne a base vegetale siano altrettanto veloci e resistenti di quelle a base di combustibili fossili.

È qui che interviene un team di ricercatori della Hubei University of Automotive Technology con una soluzione intelligente ispirata alla natura. Hanno deciso di smettere di guardare al carbone e iniziare a guardare a qualcosa che potreste trovare in uno stagno: il contenitore dei semi di loto. Sapete quei contenitori marroni a forma di nido d'ape che tengono i semi di loto? I ricercatori si sono resi conto che questi contenitori sono fondamentalmente un'impalcatura pre-fatta dalla natura per l'accumulo di energia. All'interno del contenitore, c'è una rete naturale di tubi cavi e piccole camere, molto simile a un nido d'ape. Invece di cercare di costruire una struttura complessa da zero, il team ha deciso di usare questa architettura naturale come modello.

Il team ha preso questi baccelli di loto essiccati, li ha macinati in polvere e li ha sottoposti a un "bagno chimico" utilizzando una sostanza chiamata KOH (idrossido di potassio) prima di riscaldarli. Questo processo è come uno scultore high-tech che scolpisce un blocco di pietra. Il calore trasforma il materiale vegetale in carbonio, mentre il bagno chimico erode la superficie per creare un labirinto di minuscoli buchi. Ma ecco il trucco magico: il baccello di loto contiene naturalmente atomi di azoto e zolfo. Invece di aggiungere questi elementi dall'esterno (il che può essere disordinato e irregolare), il trattamento termico ha cotto questi atomi direttamente nella struttura del carbonio. I ricercatori chiamano questo "auto-drogaggio in situ". È come condire una torta facendo crescere le spezie all'interno dell'impasto piuttosto che spargerle sopra in seguito; il sapore è mescolato perfettamente ovunque.

Il risultato di questo processo è un materiale che hanno chiamato LDCC-5. Quando lo hanno testato, il materiale si è comportato come un campione. In un ambiente di laboratorio, poteva immagazzinare una quantità massiccia di carica elettrica — 811,8 F/g (farad per grammo) a una corrente di 0,5 A/g. Per dare un termine di paragone, manteneva la sua potenza incredibilmente bene, conservando il 97% della sua capacità anche dopo essere stato caricato e scaricato 10.000 volte ad alta velocità. Quando hanno costruito un dispositivo supercondensatore completo usando questo materiale, ha fornito una densità di energia di 49,98 Wh/kg a una densità di potenza di 399,84 W/kg, e manteneva ancora l'89% della sua potenza dopo 10.000 cicli.

Perché ha funzionato così bene? I ricercatori hanno scoperto che la forma a nido d'ape naturale del baccello di loto è sopravvissuta al processo di cottura, creando grandi "autostrade" (macropori) che permettono agli ioni (le minuscole particelle cariche che trasportano l'energia) di sfrecciare dentro e fuori rapidamente. Il bagno chimico ha poi scavato milioni di piccoli "posti auto" (micropori) sulle pareti di queste autostrade per immagazzinare l'energia. Poiché l'azoto e lo zolfo sono stati cucinati direttamente nel carbonio, la superficie è diventata super amichevole verso l'acqua (idrofila), il che significa che l'elettrolita liquido può bagnare ogni singolo angolo e fessura istantaneamente. Questa combinazione di un sistema di autostrade naturali, un numero massiccio di posti auto e una superficie che ama bagnarsi ha permesso al materiale di superare il consueto compromesso in cui bisogna scegliere tra immagazzinare molta energia o caricarsi molto velocemente. Questo studio suggerisce che usando scarti agricoli come i baccelli di loto e lasciando che la stessa chimica della natura faccia il lavoro pesante, possiamo costruire supercondensatori che siano non solo ad alte prestazioni, ma anche economici, verdi e sostenibili.