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

Stel je het wereldwijde energienetwerk voor als een enorme, bruisende stad. We hebben zonnepanelen en windturbines die lijken op enthousiaste maar onvoorspelbare buren; soms produceren ze een vloedgolf aan energie, en soms doen ze een dutje. Om het licht aan te houden, hebben we energieopslagapparaten nodig die kunnen fungeren als een superefficiënte spons: elektriciteit direct opzuigen wanneer het beschikbaar is en het er net zo snel weer uitpersen wanneer het net een boost nodig heeft. Dit is de taak van supercondensatoren. Denk aan hen als de sprinters van de energiewereld. In tegen tegenstelling tot batterijen, die marathonlopers zijn die veel energie opslaan maar lang doen over het laden en ontladen, kunnen supercondensatoren in seconden worden opgeladen en kunnen ze honderdduizenden cycli meegaan. Maar er is een addertje onder het gras: het maken van de "spons" die deze energie vasthoudt, vereist meestal het opgraven van oude fossiele brandstoffen (zo zoals steenkool) en het verhitten van deze tot verzengende temperaturen, wat vies en onhoudbaar is. Wetenschappers zijn op zoek naar een betere manier om deze spons te maken met dingen die weer terug groeien, zoals planten, maar ze hebben deze plantgebaseerde sponsen nodig die net zo snel en sterk zijn als de fossiele varianten.

Hier komt een team onderzoekers van de Hubei University of Automotive Technology aanzetten met een slimme, door de natuur geïnspireerde oplossing. Ze besloten te stoppen met het kijken naar steenkool en te gaan kijken naar iets dat je in een vijver kunt vinden: de lotuszaadpeul. Je weet wel, die bruine, honingraatvormige bekertjes die de lotuszaden vasthouden? De onderzoekers realiseerden zich dat deze peulen in feite de natuurlijke, vooraf gemaakte steigers voor energieopslag zijn. Binnenin de peul bevindt zich een natuurlijk netwerk van holle buizen en kleine kamers, vergelijkbaar met een honingraat. In plaats van te proberen een complexe structuur vanaf nul op te bouwen, besloot het team deze natuurlijke architectuur als blauwdruk te gebruiken.

Het team nam deze gedroogde lotuspeulen, maalden ze tot een poeder en gaven ze een "chemisch bad" met een stof genaamd KOH (kaliumhydroxide) voordat ze ze verhitten. Dit proces is als een hoogtechnologische beeldhouwer die een blok steen uithakt. De hitte verandert het plantmateriaal in koolstof, terwijl het chemische bad de oppervlakte wegvreet om een doolhof van piepkleine gaatjes te creëren. Maar hier is de magische truc: de lotuspeul bevat van nature stikstof- en zwavelatomen. In plaats van deze elementen van buitenaf toe te voegen (wat slordig en ongelijkmatig kan zijn), bakte de hittebehandeling deze atomen direct in de koolstofstructuur zelf. De onderzoekers noemen dit "in-situ zelf-doping". Het is alsof je een cake kruidt door de specerijen in het beslag te laten groeien in plaats van ze er later bovenop te strooien; de smaak is perfect door het hele deeg gemengd.

Het resultaat van dit proces is een materiaal dat zij LDCC-5 noemden. Toen ze het testten, presteerde het materiaal als een kampioen. In een laboratoriumsetting kon het een enorme hoeveelheid elektrische lading opslaan — 811,8 F/g (farad per gram) bij een stroomsterkte van 0,5 A/g. Om dit in perspectief te plaatsen: het hield de energie ongelooflijk goed vast, waarbij het zelfs na 10.000 keer snel laden en ontladen nog steeds 97% van zijn capaciteit behield. Toen ze een volledig supercondensatorapparaat bouwden met dit materiaal, leverde het een energiedichtheid van 49,98 Wh/kg bij een vermogensdichtheid van 399,84 W/kg, en het behield nog steeds 89% van zijn vermogen na 10.000 cycli.

Waarom werkte het zo goed? De onderzoekers ontdekten dat de natuurlijke honingraatvorm van de lotuspeul het kookproces overleefde, wat grote "snelwegen" (macroporiën) creëerde die ionen (de kleine geladen deeltjes die de energie dragen) razendsnel in en uit kunnen zoeven. Het chemische bad maakte vervolgens miljoenen kleine "parkeerplaatsen" (microporiën) op de wanden van deze snelwegen om de energie op te slaan. Omdat de stikstof en zwavel direct in de koolstof waren gebakken, werd het oppervlak supervriendelijk voor water (hydrofiel), wat betekent dat de vloeibare elektrolyt elke nog zo kleine nis en hoekje direct kan bevochtigen. Deze combinatie van een natuurlijk snelwegensysteem, een enorm aantal parkeerplaatsen en een oppervlak dat van nat worden houdt, stelde het materiaal in staat om de gebruikelijke afruil te overwinnen waarbij je moet kiezen tussen het opslaan van veel energie of heel snel opladen. Deze studie suggereert dat door landbouwafval zoals lotuspeulen te gebruiken en de eigen chemie van de natuur het zware werk te laten doen, we supercondensatoren kunnen bouwen die niet alleen hoogwaardig presteren, maar ook goedkoop, groen en duurzaam zijn.