Graphen-basierende, zwei-dimensionale poröse und ionische Polymernetzwerke und Kohlenstoff-Nanosheets für die Anwendung in Superkondensatoren

Graphen wird als einer der vielversprechendsten Kandidaten für Elektrodenmaterialien von Superkondensatoren angesehen, begründet in der maximalen, spezifischen Oberfläche, einer überlegenen elektrischen Leitfähigkeit, und der Fähigkeit zu einem zweidimensionalen (2D) Ladungstransport. Jedoch zeigen Graphen-Nanosheets eine hohe Tendenz zur Reaggregation durch Stapelung der Nanosheets. Diese unausweichliche Reaggregation begrenzt die elektrochemisch aktive Oberfläche drastisch und führt zu einer starken Verminderung der Leistungsfähigkeit von Superkondensatoren. Deshalb schlagen wir innerhalb dieses Projektes vor, die Oberfläche von Graphen-Schichten mit porösen, ionischen Polymeren zu versehen, um Graphen-basierte ionische Polymernetzwerke herzustellen, die integrativ die Vorteile von Graphen und porösen, ionischen Polymernetzwerken verbinden, um die Leistungsfähigkeit von Superkondensatoren zu erhöhen. Dabei ermöglicht die 2D-Struktur des Graphens das Aufwachsen von gleichmäßigen Hüllen aus dem porösen, ionischen Polymer an Ober- und Unterseite. Dadurch wird eine Reaggregation effektiv unterdrückt. Die elektrische Leitfähigkeit des Graphen-basierten, ionischen Polymernetzwerkes kann durch die Anwesenheit der 2D Graphen-Nanosheets erhöht werden, während die porösen Hüllen das Vorhandensein von Pseudokapazitäten vermitteln. Die Porenstruktur und die Porengröße können dabei über die Wahl geeigneter Bausteine bzw. Monomere variiert werden.Für die Graphen-basierten Hybridmaterialien mit ihren porösen, ionischen Hüllen soll der Mechanismus der Energiespeicherung aufgeklärt werden, besonders auch im Hinblick auf Synergien zwischen Graphen-Kernsegment und poröser Hülle. Weiterhin stellen die Hybridmaterialien auch geeignete Precursoren für die thermische Umwandlung in Kohlenstoff-Materialien dar. Im Vergleich zu konventionellen, nicht-ionischen Precursoren bieten geladene Polymere den Vorteil, dass die starken Coulomb-Wechselwirkungen der Ionenpaare zu einer gesteigerten Stabilität der Precursoren führen sollte, was zu einem geringeren Massenverlust bei der Thermolyse in das Kohlenstoff-Material führen sollte. Die durch Thermolyse erzeugten Kohlenstoff-Nanosheets sollen in Superkondensatoren systematisch getestet werden, wobei verschiedene Heteroatome (Dotanden) über eine Änderung der Struktur der Monomere (Tektone) bzw. Gegenionen eingeführt werden können. Der Einfluss der Heteroatom-Dotierung auf die Kenndaten von Superkondensatoren soll abschließend systematisch untersucht werden.Die Synthesearbeiten sollen dabei in Wuppertal, die Bauelement-Untersuchungen in Nanchang ausgeführt werden.

Laufzeit:
01.12.2017 - 30.11.2020

Projektleiter:
Prof. Dr. U. Scherf

Budget: 219.400 €