Nový uhlíkový materiál je příslibem pro ukládání elektrické energie

Pro výrobu takzvaných superkondenzátorů pro ukládání elektrické energie, které by mohly
překonat slabiny v současné době využívaných baterií či kondenzátorů, je předurčený nový
dvojrozměrný materiál vyvinutý v RCPTM. Pokračováním výzkumu, jehož výsledky otiskl
časopis Advanced Functional Materials, má být sestavení prototypu superkondenzátoru.

Vývoj nového uhlíkového materiálu je jedním z významných výsledků prestižního grantu Evropské
výzkumné rady (ERC), který zhruba dva roky řeší tým pod vedením Michala Otyepky. Fyzikální
chemik stál před sedmi lety i při objevu nejtenčího izolantu na světě – fluorografenu, který byl
základem pro řadu úspěchů olomouckých badatelů. Chemii tohoto mladšího grafenového sourozence,
v jehož šestiúhelníkové struktuře je na každý uhlík navázán atom fluoru, se zdejší vědci věnují
dlouhodobě. Přestože byl považován za chemicky inertní, prokázali, že je vhodný pro vývoj celé řady
derivátů grafenu. Výměnou fluoru za jinou funkční skupinu dokáží vědci materiálu vtisknout nové
vlastnosti požadované pro konkrétní využití.
„Opět jsme vyšli z fluorografenu a vytvořili jeho nový derivát tím, že jsme na jeho dvourozměrný skelet
připojili chemickou spojkou molekulu ftalocyaninu. Podařilo se připravit materiál, který na každé
funkční skupině nese pozitivní i negativní náboj současně, tedy takzvaný obojetný ion (zwitterion), ale
jeho celkový náboj je neutrální. Na povrchu grafenu jsme tak vytvořili organizovanou síť nábojů. Tyto
povrchy jsou velmi vhodné pro přenos a separaci nábojů, a tudíž se nabízí jejich aplikace
v takzvaných superkondenzátorech pro ukládání energie,“ objasnil Otyepka.
Právě vývoji těchto „úložišť“ elektrické energie se ve světě intenzivně věnuje řada výzkumných týmů,
neboť je po nich velká poptávka. Současné klasické baterie sice mají velkou kapacitu, ale poměrně
dlouho trvá, než se nabijí, což je známý problém například u elektromobilů. Na druhé straně jsou
kondenzátory, které se rychle nabijí, ale jejich kapacita je poměrně malá. Superkondenzátory jsou
zařízení spojující výhody baterie a kondenzátorů – mohou mít velkou kapacitu a budou se rychle
nabíjet.
„Připravený grafenový derivát je pro toto využití vhodný. Má výbornou stabilitu, dobrou vodivost a jeho
kapacita neklesá ani po vysokém množství nabíjecích cyklů. Navíc jako elektrolyt využíváme
bezpečný síran sodný. Naším cílem je získat materiál s ještě větší energetickou hustotou, tedy
množstvím uložené energie, a druhým krokem bude vytvoření prototypu superkondenzátoru, který by
tento materiál využíval,“ doplnil Otyepka. Podle něj v RCPTM připravili tento typ materiálu poprvé.
Využití nalezne všude tam, kde je potřeba uložit energii – od mobilních telefonů až po elektromobily.

Bakandritsos A., Chronopoulos D. D., Jakubec P., Pykal M., Čépe K., T. Steriotis, Kalytchuk S.,
Petr M., Zbořil R., Otyepka M.: High-Performance Supercapacitors Based on a Zwitterionic Network
of Covalently Functionalized Graphene with Iron Tetraaminophthalocyanine, Advanced Functional
Materials 2018, in press, DOI: 10.1002/adfm.201801111

10. 7. 2018