Materiales híbridos basados en nanocarbones y polioxometalatos para aplicación como electrodos en supercondensadores con mecanismo dual de almacenamiento de energía

Abstract

Baterías y supercondensadores son dos tipos de dispositivos de almacenamiento de energía con mecanismos y prestaciones complementarios. Las baterías, con mecanismos de reacciones redox faradaicas presentan alta densidad de energía y baja densidad de potencia mientras que el mecanismo electrostático de los supercondensadores (doble capa eléctrica) les confiere una alta densidad de potencia con densidad de energía limitada. El diseño de materiales y electrodos híbridos que combinen ambos mecanismos es una vía para la mejora simultánea de energía y potencia en un mismo dispositivo. En este trabajo hemos explorado la síntesis, propiedades y aplicación de materiales híbridos basados en tres tipos de nanocarbones (carbón activado, AC; nanotubos de carbono multipared, MWNT’s y óxido de grafeno reducido, RGO) con tres polioxometalatos electroactivos con la estructura de Keggin (ácido fosfomolíbdico H3PMo12O40, ácido fosfovolfrámico H3PW12O40 y ácido silicovolfrámico H4SiW12O40). Los carbones aportan una matriz conductora con capacidad de almacenamiento de carga de tipo capacitivo (doble capa) mientras que los clústeres inorgánicos aportan su electroactividad molecular de tipo faradaico. Nuestro trabajo ha permitido confirmar la hipótesis de trabajo inicial, es decir, que es posible llevar a cabo la síntesis de todas las distintas combinaciones de híbridos, dando lugar a materiales en los que los polioxometalatos se integran de forma permanente, si bien la incorporación de polioxometalatos alcanza concentraciones máximas distintas para cada carbón, en el orden AC > RGO > MWNT’s. Cabe destacar que los mecanismos de incorporación de los polioxometalatos (POM’s) varían dependiendo del tipo de nanocarbón usado de matriz. Mientras en los AC los POM’s se incorporan por fisisorción en microporos de tamaño adecuado, en el caso del RGO los POM’s se anclan mediante interacciones de tipo químico con los grupos polares oxigenados del carbón. La caracterización de los materiales híbridos preparados incluyó termogravimetría (ATG) estudio de la estructura (DRX) y microestructura (SEM, TEM), isotermas de adsorción, espectroscopías (FTIR, XPS, Raman en el caso del RGO), así como una sistemática caracterización electroquímica (CV, cronopotenciometría para ciclos de carga-descarga) en celdas de tres y de dos electrodos (dispositivos supercondensadores simétricos). La mayor parte de los materiales estudiados dio lugar a electrodos con una combinación sinérgica de propiedades que incluyen una mayor densidad de energía y de potencia por unidad de volumen para los híbridos, en comparación con los nanocarbones correspondientes, con un rango accesible de potencial aumentado para el caso de los polioxovolframatos y capaces de ser sometidos a ciclos repetidos de carga y descarga de hasta decenas de miles de ciclos, con una ciclabilidad también mejorada respecto de los materiales de carbón en las mismas condiciones de ciclado. Nuestro trabajo muestra por tanto una vía hacia la mejora de las propiedades de almacenamiento de energía eléctrica mediante la hibridación de los materiales de electrodo que combinen componentes faradaicos con capacitivos ejemplificándolo con el uso de polioxometalatos y carbones que suponen una doble combinación sinérgica gracias a la combinación faradaica-capacitiva y a la contribución de los carbones como matrices conductoras que hacen posible el aprovechamiento de la electroactividad de estos clústeres moleculares.

Batteries and supercapacitors are two types of energy storage devices with complementary working mechanisms and performances. Batteries feature a storage mechanism based on faradaic redox reactions and present high energy densities but low power densities. On the other hand, the electrostatic mechanism of double-layer supercapacitors provides high power densities but low energy densities. The design of hybrid electrode materials combining both mechanisms could be a practical way to improve simultaneously energy and power in one. In this work we have explored the synthesis, properties and application of hybrid materials based on three types of nanocarbons (Activated Carbon, AC; Multiwalled Carbon nanotubes, MWNTs; and Reduced Graphene Oxide, RGO) with three electroactive polyoxometalates (POMs) with the well-known Keggin structure (phosphomolybdic acid H3PMo12O40, phosphotungstic acid H3PW12O40 and silicotungstic acid H4SiW12O40). Carbons provide a conducting matrix with capacitive energy storage capabilities (double-layer) whereas the inorganic clusters provide their molecular faradaic electroactivity. Our work has confirmed our initial working hypothesis, namely, that it was possible to synthesize all different hybrid combinations, leading to materials in which polyoxometalates are permanently integrated in each of the carbon matrices. The incorporation of POMs takes place though through different mechanisms and reaching maximum POMs concentration which are different for each carbon, following the order AC > RGO > MWNTs. Thus, in AC matrices, POMs are bound by physisorption processes in suitably sized micropores, whereas in RGO, POMs are anchored by chemical interactions with polar oxygenated groups present in the carbon. All the hybrid materials prepared were characterized by TGA, XRD, SEM, TEM, adsorption isotherms, spectroscopies (FTIR, XPS, Raman for RGO materials), as well as with systematic electrochemical studies (CV, charge-discharge cronopotentiometry) on threeelectrode and two-electrode cells (symmetrical supercapacitor devices). Most of the materials studied led to electrodes with a synergic combination of properties, including improved energy and power densities per unit volume in comparison with the parent nanocarbons, with an enhanced voltage range in the case of the polyoxotungstates and able to stand repeated charge-discharge cycles of up to tens of thousands (104 ) of cycles, much improved with respect to the pristine carbon matrices under the same cycling conditions. Thus, our work has shown a way towards improving energy storage properties through the hybridization of electrode materials combining faradaic and capacitive components. We have shown the possibilities of this approach using polyoxometalates and nanocarbons as case examples that in fact provide a double synergy, by combining faradaic and capacitive storage and by providing a conducting matrix (carbons) which makes possible the harnessing of the electroactivity of these molecular clusters.