Revista >> Octombrie-Noiembrie 2011 [Nr. 139] >> Cercetare

Funcţionalizarea nanotuburilor de carbon pentru aplicaţii în domeniul stocării energiei

Mihaela Baibarac, Ioan Baltog

27 Octombrie 2011

Dezvoltarea metodelor de funcţionalizare a nanotuburilor de carbon (NC) a permis obţinerea de noi materiale compozite pentru aplicaţii în domeniul stocării hidrogenului, supercapacitorilor, bateriilor reîncărcabile cu litiu, etc. În ultimii zece ani, grupul de Optică din Laboratorul de Procese Optice în Materiale Nanostructurate (LPOMN) al Institutului Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM) şi-a focalizat efortul pe funcţionalizarea NC cu polimeri conjugaţi precum polianilina, poli 3,4-etilen dioxitiofenul (PEDOT), poli difenilamina (PDPA), poli N-vinil carbazol (PVK) etc. Principalele metode de funcţionalizare folosite au fost polimerizările chimice şi electrochimice ale monomerilor în prezenţa NC. O metodă optică frecvent folosită pentru evidenţierea proceselor de funcţionalizare a NC cu polimeri conjugaţi este spectroscopia Raman. În prezent, INCDFM dispune de cea mai complexă infrastructură în domeniul spectroscopiei Raman, compusă dintr-un spectrofotometru Raman T64000, Horiba Jobin Yvone, echipat cu laseri cu Ar şi Kr (Fig. 1a) şi un spectrofotometru FTRaman Bruker RFS 100 echipat cu un laser YAG: Nd (Fig. 1b).

Spectrofotometru Raman T64000, Horiba Jobin Yvone

Pentru o mai bună înţelegere a interacţiilor chimice care au loc între cele două entităţi care formează materialul compozit, în ultimii ani membrii grupului de Optică din LPOMN, în colaborare cu cercetători de la Institut des Materiaux Jean Rouxel, Nantes, Franţa, au dezvoltat studii complexe de spectroscopie Raman în domeniul Stokes şi anti-Stokes, cu element de originalitate spectroscopia Raman excitată prin plasmoni de suprafaţă.

Spectrofotometru FTRaman Bruker RFS 100

Un domeniu recent abordat vizează demonstrarea utilizării materialelor compozite bazate pe polimeri conjugaţi şi NC în domeniul stocării energiei, o atenţie deosebită fiind dată bateriilor reîncărcabile cu ioni de litiu. Utilizând compozite bazate pe NC cu un singur perete (single walled carbon nanotubes - SWNTs) şi polimeri de tipul PVK, PEDOT şi PDPA ca materiale active pentru electrodul pozitiv al celulei reîncărcabile având ca electrolit LiFP6, testele de încărcare-descărcare indică valori ale capacităţii de descărcare specifică de ca. 45, 218 şi respectiv 245 mA h g-1. Pentru înţelegerea progresului realizat în utilizarea polimerilor şi, respectiv, a compozitelor de tip polimeri conjugaţi/NC ca materiale active în electrozii pozitivi ai bateriilor de litiu reîncărcabile, în Fig. 2 sunt prezentate testele de încărcare-descărcare realizate pe celulele (-)Li/compozit PDPA-SWNT (+) şi (-) Li/PDPA(+).

Fig. 2 Evoluţia capacităţii specifice cu numărul de cicluri pentru celulele (-)Li/ compozit PDPA-SWNT (+) (a) şi (-) Li/PDPA(+) (b)

Analiza Fig. 2 indică o descreştere a capacităţii în timpul primelor 10 cicluri de încărcare-descărcare de ca. 40 şi 50% în cazul celulelor (-)Li/compozit PDPA-SWNT (+) şi (-)Li /PDPA(+). Prin creşterea numărului de cicluri se observă că, în cazul celulei (-)Li/compozit PDPA-SWNT (+), valoarea capacităţii ramâne neschimbată, în timp ce pentru celula (-)Li/PDPA(+) se observă o diminuare a capacităţii între ciclurile 20 şi 28. Absenţa unui astfel de comportament în cazul celulei (-)Li/compozit PDPA-SWNT (+) este rezultatul efectului inhibitor al NC asupra reacţiei de descompunere chimică a suprafeţei electrodului. La finalul celui de al 35-lea ciclu de încărcare/descărcare pentru celulele (-)Li/ PDPA(+) şi (-)Li/compozit PDPA-SWNT (+) sunt înregistrate capacităţi de ca. 35 şi, respectiv, 245 mA h g-1. Valorile superioare raportate în cazul celulei (-)Li/compozit PDPA-SWNT (+) sunt corelate cu formarea unor compuşi rezultaţi în timpul proceselor de descărcare, care conduc la formare SWNTs dopate cu ioni de Li+.

Mihaela Baibarac, Ioan Baltog
Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica Materialelor