Composites contenant des résines et du nano carbone

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6606 (2023) Citer cet article

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Nous rapportons ici la fonctionnalisation de nano-oignons de carbone (CNO) avec le groupe hydroxyaryle et les modifications ultérieures avec des résines : résorcinol-formaldéhyde utilisant du Pluronic F-127 porogène, résorcinol-formaldéhyde-mélamine, benzoxazine composée de bisphénol A et de triéthylènetétramine, et calix. [4]dérivé du résorcinarène à partir du F-127. Après la carbonisation directe, des analyses physicochimiques approfondies ont été réalisées, notamment la spectroscopie photoélectronique infrarouge à transformée de Fourier, Raman et à rayons X, la microscopie électronique à balayage et à transmission, ainsi que l'adsorption-désorption de N2. L'ajout de CNO aux matériaux augmente significativement le volume poreux total (jusqu'à 0,932 cm3 g−1 pour la résine résorcinol-formaldéhyde carbonisée et CNO (RF-CNO-C) et 1,242 cm3 g−1 pour la résine résorcinol-formaldéhyde-mélamine carbonisée. et CNO (RFM-CNO-C)), avec des mésopores dominants. Cependant, les matériaux synthétisés ont des domaines mal ordonnés avec quelques perturbations structurelles ; le composite RFM-CNO-C présente une structure plus ordonnée avec des régions amorphes et semi-cristallines. Par la suite, la voltamétrie cyclique et la méthode de charge-décharge galvanostatique ont étudié les propriétés électrochimiques de tous les matériaux. L'influence des compositions des résines, de la teneur en CNO et de la quantité d'atomes de N dans le squelette carboné sur les performances électrochimiques a été étudiée. Dans tous les cas, l’ajout de CNO au matériau améliore ses propriétés électrochimiques. Le matériau carboné dérivé du CNO, du résorcinol et de la mélamine (RFM-CNO-C) a présenté la capacité spécifique la plus élevée de 160 F g−1 à une densité de courant de 2 A g−1, qui est stable après 3 000 cycles. L'électrode RFM-CNO-C conserve environ 97 % de son efficacité capacitive initiale. Les performances électrochimiques de l'électrode RFM-CNO-C résultent de la stabilité de la porosité hiérarchique et de la présence d'atomes d'azote dans le squelette. Ce matériau constitue une solution optimale pour les dispositifs à supercondensateurs.

Les sociétés modernes dépendent des combustibles fossiles et souffrent de tous les problèmes liés à la pollution, au réchauffement climatique, à l’augmentation des coûts des carburants et aux problèmes géopolitiques. En raison de la demande croissante de stockage d’énergie à haute efficacité énergétique, le développement de supercondensateurs électrochimiques (SC) a attiré beaucoup d’attention ces dernières années. La raison principale est que les SC ont de nombreuses applications dans les domaines industriels, principalement pour l'industrie automobile (c'est-à-dire les véhicules électriques) et à des fins militaires1,2,3. Les appareils SC peuvent fonctionner à des débits de puissance élevés par rapport aux batteries4,5,6,7. Cependant, la charge qu’ils peuvent stocker est 3 à 30 fois inférieure5,7,8. Les SC sont attractifs car ils offrent des solutions uniques meilleures que les condensateurs électrolytiques et les batteries, caractérisés par des mécanismes de stockage différents. Les inconvénients techniques des dispositifs de stockage conventionnels sont une capacité et une durée de stockage limitées. Par conséquent, de nombreux efforts ont été déployés pour découvrir des SC présentant une densité de puissance élevée, une faible résistance d'entrée, une durée de vie prolongée, une charge-décharge rapide et un respect de l'environnement8,9,10,11,12. Les matériaux les plus prometteurs semblent être les nanomatériaux de carbone9,13, les polymères conducteurs14,15, les oxydes métalliques16,17 et leurs composites18, et certains matériaux moins étudiés comme les charpentes organiques covalentes ou les charpentes métallo-organiques19,20, le phosphore noir ou les nitrures métalliques21, 22.

Les matériaux carbonés sont largement utilisés dans les condensateurs en raison de leur polyvalence morphologique et de leur faible coût8,9,23. Dans ce groupe, les nanostructures de carbone (CN) présentent de nombreuses caractéristiques telles que différentes formes, tailles, états d'hybridation, teneur en hétéroatomes et microtexture, qui jouent un rôle crucial dans les propriétés et les applications spécifiques24,25. Des surfaces élevées, des pores de tailles adaptées pour stocker différents ions, ainsi que la polarisabilité et la conductivité électrique des électrodes sont cruciaux pour charger efficacement les doubles couches électriques (EDL)4. Les formes de nanocarbone les plus étudiées et sur le point de trouver des applications pratiques dans les dispositifs à condensateurs électriques sont le graphène26,27, les nanotubes de carbone (CNT)28,29,30 et les nano-oignons de carbone (CNO)31,32,33.