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

Imagine a rede energética mundial como uma cidade gigante e movimentada. Temos painéis solares e turbinas eólicas que são como vizinhos entusiasmados, mas imprevisíveis; às vezes produzem uma inundação de energia, e às vezes tiram uma soneca. Para manter as luzes acesas, precisamos de dispositivos de armazenamento de energia que possam agir como uma esponja supereficiente: absorvendo eletricidade instantaneamente quando ela está disponível e espremendo-a com a mesma rapidez quando a rede precisa de um reforço. Este é o trabalho dos supercapacitores. Pense neles como os velocistas do mundo da energia. Ao contrário das baterias, que são maratonistas que armazenam muita energia, mas levam muito tempo para carregar e descarregar, os supercapacitores podem carregar em segundos e durar centenas de milhares de ciclos. No entanto, há um porém: fabricar a "esponja" que retém essa energia geralmente envolve escavar combustíveis fósseis antigos (como o carvão) e cozinhá-los a temperaturas escaldantes, o que é sujo e insustentável. Cientistas estão em uma busca por uma maneira melhor de fazer essas esponjas usando coisas que crescem de volta, como plantas, mas precisam que essas esponjas à base de plantas sejam tão rápidas e fortes quanto as de combustíveis fósseis.

É aqui que uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tecnologia Automotiva de Hubei entra com uma solução inteligente e inspirada na natureza. Eles decidiram parar de olhar para o carvão e começar a olhar para algo que você pode encontrar em um lago: o vagem da flor de lótus. Sabe aquelas cápsulas marrons, em forma de colmeia, que seguram as sementes de lótus? Os pesquisadores perceberam que essas vagens são, basicamente, o próprio andaime natural da natureza para o armazenamento de energia. Dentro da vagem, há uma rede natural de tubos ocos e pequenas câmaras, muito parecida com um favo de mel. Em vez de tentar construir uma estrutura complexa do zero, a equipe decidiu usar essa arquitetcia natural como um modelo.

A equipe pegou essas vagens de lótus secas, moeu-as até virarem um pó e as submeteu a um "banho químico" usando uma substância chamada KOH (hidróxido de potássio) antes de aquecê-las. Esse processo é como um escultor de alta tecnologia esculpindo um bloco de pedra. O calor transforma o material vegetal em carbono, enquanto o banho químico corrói a superfície para criar um labirinto de pequenos buracos. Mas aqui está o truque de mágica: a vagem de lótus contém naturalmente átomos de nitrogênio e enxofre. Em vez de adicionar esses elementos de fora (o que pode ser desordenado e irregular), o tratamento térmico assou esses átomos diretamente na própria estrutura de carbono. Os pesquisadores chamam isso de "autodopagem in situ". É como temperar um bolo ao cultivar os temperos dentro da massa, em vez de polvilhá-los por cima depois; o sabor é misturado perfeitamente em todo o conteúdo.

O resultado desse processo é um material que eles nomearam LDCC-5. Quando o testaram, o material desempenhou-se como um campeão. Em um ambiente de laboratório, ele podia armazenar uma quantidade massiva de carga elétrica — 811,8 F/g (farads por grama) a uma corrente de 0,5 A/g. Para colocar em perspectiva, ele reteve sua energia incrivelmente bem, mantendo 97% de sua capacidade mesmo após ser carregado e descarregado 10.000 vezes em alta velocidade. Quando construíram um dispositivo de supercapacitor completo usando este material, ele entregou uma densidade de energia de 49,98 Wh/kg a uma densidade de potência de 399,84 W/kg, e ainda manteve 89% de sua potência após 10.000 ciclos.

Por que funcionou tão bem? Os pesquisadores descobriram que a forma de colmeia natural da vagem de lótus sobreviveu ao processo de cozimento, criando grandes "rodovias" (macroporos) que permitem que os íons (as minúsculas partículas carregadas que transportam a energia) entrem e saiam rapidamente. O banho químico então esculpiu milhões de pequenos "estacionamentos" (microporos) nas paredes dessas rodovias para armazenar a energia. Como o nitrogênio e o enxofre foram assados diretamente no carbono, a superfície tornou-se super amigável à água (hidrofílica), o que significa que o eletrólito líquido poderia molhar cada canto e fenda instantaneamente. Essa combinação de um sistema de rodovias naturais, um número massivo de vagas de estacionamento e uma superfície que ama se molhar permitiu que o material superasse a troca usual onde você tem que escolher entre armazenar muita energia ou carregar muito rápido. Este estudo sugere que, ao usar resíduos agrícolas como as vagens de lótus e deixar a própria química da natureza fazer o trabalho pesado, podemos construir supercapacitores que não são apenas de alto desempenho, mas também baratos, verdes e sustentáveis.