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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 16221 (2023) Citare questo articolo

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Data l’importanza dei sistemi di accumulo dell’energia basati su supercondensatori, sono stati condotti diversi studi. In questa ricerca CuO, NCNO e il fiore come CuO/NCNO sono stati studiati come nuovi materiali in questo campo. Il risultato ha mostrato che le nanostrutture di CuO sintetizzate hanno una morfologia simile a un fiore studiata mediante analisi FE-SEM. Inoltre, il modello XRD ha confermato le proprietà cristalline del nanocomposito CuO/NCNO e il Raman ha verificato i gruppi funzionali e le vibrazioni dei componenti del nanocomposito CuO/NCNO. In un sistema a due elettrodi con una densità di corrente di 4 A/g, la capacità, la densità di potenza e la densità di energia erano rispettivamente di 450 F/g, 3200 W/kg e 98 Wh/kg. Le resistenze di trasferimento di carica degli elettrodi CuO e NCNO/CuO hanno ottenuto rispettivamente 8 e 2 Ω, il che dimostra che la conduttività e le proprietà supercapacitive del nanocomposito sono migliori rispetto ai componenti puri. Inoltre, la stabilità e la bassa resistenza al trasferimento di carica sono altri vantaggi ottenuti in un'indagine con elettrodi a due simmetrici. L'indagine sulla stabilità ha mostrato che dopo 3000 cicli consecutivi, solo il 4% della capacità iniziale dell'elettrodo CuO/NCNO è diminuito.

L'uso di dispositivi di accumulo dell'energia come batterie e condensatori convenzionali è stato limitato a causa delle loro grandi dimensioni, bassa densità di potenza, bassa capacità, lunghi tempi necessari per la ricarica, breve durata e inquinamento ambientale1,2,3,4,5,6 ,7,8,9. Presentazione dei supercondensatori come condensatori elettrochimici sviluppati con caratteristiche eccellenti tra cui densità molto elevata, alta velocità di carica e scarica, elevata capacità e biocompatibilità, nonché la loro applicazione su scala industriale (veicoli elettrici, impianti elettrici e supporto elettrico delle fabbriche) e così via hanno parzialmente risolto le preoccupazioni create nel campo dell'utilizzo dei dispositivi di accumulo dell'energia10,11,12,13,14,15,16,17. I supercondensatori elettrochimici hanno due meccanismi per l'accumulo di carica a seconda del tipo di materiali utilizzati nella struttura dell'elettrodo. Il meccanismo di accumulo della carica all'interfaccia elettrodo-elettrolita è dovuto all'adsorbimento di ioni in un condensatore elettrico a doppio strato (EDLC)18,19. Il sistema di supercondensatori elettrochimici EDLC è costituito principalmente da materiali di carbonio con elevata area superficiale e strutture porose come carbone attivo, nanotubi di carbonio e grafene20,21,22,23,24,25,26. Negli pseudo-condensatori, il meccanismo di accumulo della carica si basa su reazioni redox o trasferimento di elettroni (reazioni faradaiche). Nella loro struttura vengono spesso utilizzati polimeri conduttivi, metalli e ossidi di metalli di transizione27,28,29,30,31. I nanomateriali di carbonio sono i migliori materiali per elettrodi per supercondensatori elettrochimici grazie alla loro facile accessibilità, elevata stabilità chimica e meccanica, ampia area superficiale ed eccellente conduttività elettrica. Nonostante l’uso abbondante di nanomateriali di carbonio puro nei campi elettrochimici, in particolare per l’accumulo di energia, la bassa capacità e la densità di energia ne hanno limitato l’uso commerciale. Il drogaggio di eteroatomi come fosforo (P), azoto (N), ossigeno (O), zolfo (S) e fluoro (F) nella struttura della matrice di carbonio è uno degli approcci di modifica adatti per migliorare le proprietà elettrochimiche e la commercializzazione di nanomateriali di carbonio32,33,34. L'eteroatomo di azoto (N) è stato studiato più di altri eteroatomi per la facilità di integrazione nella struttura dei nanomateriali di carbonio, il posizionamento nella struttura con diverse forme chimiche e la creazione di siti attivi per reazioni redox. Inoltre, gli atomi di N, avendo un'elevata elettronegatività rispetto agli atomi di C e H, inducono una carica positiva sugli atomi di carbonio adiacenti, che aumenta i siti attivi sulla superficie dell'elettrodo per legare gli ioni dell'elettrolita e migliora la bagnabilità dell'elettrodo35,36,37. Le nano cipolle di carbonio (CNO) sono particelle di carbonio contenenti più strati di grafene con ibridazione SP238,39. La struttura stratificata nelle sfere CNO ha causato la creazione di molti canali ionici e pori, oltre ad aumentare l'accessibilità della superficie esterna della struttura, e queste caratteristiche strutturali aumentano la sua attività elettrocatalitica40,41,42. Nonostante la buona attività elettrochimica e l'elevata velocità di carica-scarica, la capacità e l'energia specifica sono basse nelle strutture CNO43,44. Un approccio di base per aumentare la capacità specifica e la resistenza delle strutture CNO consiste nel drogare gli atomi di N nella loro struttura, il che può aumentare i centri superficiali attivi per l'adsorbimento degli ioni elettroliti sulla sua superficie, con conseguente aumento della capacità43,45. Sulla base dei pochi rapporti forniti sull'applicazione delle strutture CNO drogate con N, sono necessari molti sforzi per migliorare l'applicazione di queste strutture di carbonio nel campo dei supercondensatori46. L'uso di ossidi di metalli di transizione (TMO) nella struttura dell'elettrodo aumenta le reazioni redox reversibili, la densità di energia e la capacità47,48. Sebbene l'uso di TMO nelle strutture degli elettrodi (elettrodi pseudo-capacitivi) aumenti la capacità specifica, possono ridurre efficacemente la densità di energia a causa della finestra di potenziale limitata. La soluzione primaria e pratica è la fabbricazione di nanocompositi combinando TMO come materiali pseudo-condensatori con nanomateriali di carbonio come materiali EDLC e applicando nanocompositi basati su nanostrutture di ossido di metallo/carbonio come materiali per elettrodi nei supercondensatori elettrochimici49,50. I condensatori realizzati con i materiali nanocompositi menzionati sono un ibrido di condensatori EDLC e pseudo-condensatori che hanno proprietà eccellenti di entrambi i tipi.