Alto miniaturizado

Institutos de Ciências Físicas de Hefei, Academia Chinesa de Ciências

imagem: Figura 1. Ilustração esquemática das grades 3D-CT sintetizadas: 3D-CT, 3D-CNT@CT e 3D-RCT.Veja mais

Crédito: HAN Fangming

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. MENG Guowen do Instituto de Física do Estado Sólido, Institutos de Ciências Físicas de Hefei (HFIPS) da Academia Chinesa de Ciências (CAS), cooperando com o Prof. desenvolveu grades de tubo de carbono (CT) altamente orientadas e estruturalmente integradas como eletrodos de capacitores elétricos de camada dupla (EDLCs), para melhorar significativamente o desempenho da resposta de frequência e as capacitâncias areais e volumétricas na frequência correspondente. Espera-se que seja usado como um capacitor de filtragem de linha de corrente alternada (CA) de pequeno porte e alto desempenho em circuitos eletrônicos, fornecendo os materiais e a tecnologia essenciais para a miniaturização e portabilidade de produtos eletrônicos.

Os resultados foram publicados na Science em 26 de agosto de 2022.

A conversão de CA em corrente contínua (CC) é vital para alimentar a eletrônica. No processo, os capacitores de filtro desempenham um papel fundamental na suavização da ondulação de tensão no sinal CC retificado, garantindo a qualidade e a confiabilidade dos equipamentos elétricos e eletrônicos. Capacitores eletrolíticos de alumínio (AECs) são amplamente utilizados neste campo. Ainda assim, são sempre o maior componente eletrônico devido às suas baixas capacitâncias volumétricas, o que restringe seriamente o desenvolvimento de produtos eletrônicos miniaturizados e portáteis.

Os EDLCs, geralmente com materiais de carbono como eletrodos, são considerados potenciais candidatos à filtragem de linha CA para substituir os AECs devido à sua maior capacitância específica, em linha com a tendência de miniaturização do dispositivo, mas restritos pela sua baixa frequência de operação (~1 Hz). Embora a frequência operacional possa ser aumentada usando nanomateriais de carbono altamente orientados como eletrodos, a capacitância específica é muito limitada. Entretanto, os contactos físicos entre nanotubos de carbono ou folhas de grafeno adjacentes não só aumentariam a resistência, retardando ainda mais a resposta de frequência, mas também dificultariam o aumento das cargas de massa dos nanomateriais de carbono e, assim, a obtenção de uma grande capacitância. Há uma necessidade urgente de desenvolver materiais recém-estruturados para aumentar a resposta rápida de frequência enquanto mantém alta capacitância específica.

Desde 2015, a equipe de pesquisa vem trabalhando nesse tema. Após esforços incessantes, um novo conjunto de CT tridimensional (3D) integrado à estrutura e altamente orientado com CTs interconectados lateralmente por ligações químicas foi desenvolvido com sucesso. A grade 3D CT com TCs verticais e laterais verdadeiramente interconectados e estruturalmente integrados (denotados como 3D-CT) pode fornecer alta estabilidade estrutural altamente orientada, condutividade elétrica superior e estrutura porosa aberta eficaz (Figura 1), que se espera que atender aos requisitos dos materiais de eletrodo dos EDLCs de filtragem de linha CA de alto desempenho e pequeno porte.

Para obter esta estrutura única, os pesquisadores primeiro anodizaram uma folha de alumínio contendo uma pequena quantidade de impureza de Cu, para obter o modelo de óxido de alumínio anódico (AAO) poroso vertical altamente ordenado contendo nanopartículas de impureza de Cu nas paredes dos poros. Posteriormente, um modelo AAO poroso interconectado 3D (3D-AAO, canto superior esquerdo na Figura 1) foi obtido gravando seletivamente as nanopartículas contendo Cu nas paredes dos poros com ácido fosfórico.

A grade 3D-CT (canto superior direito na Figura 1) foi sintetizada por um método de deposição química de vapor (CVD) usando o modelo 3D-AAO. Para aumentar a área de superfície específica e melhorar ainda mais a capacitância específica de área e volumétrica, os TCs 3D podem ser modificados, como exemplificado pelo preenchimento com nanotubos de carbono (CNTs) de diâmetro muito menor dentro dos CTs verticais e laterais (denotados como 3D -CNT@CT, canto inferior esquerdo na Figura 1) através do método CVD assistido por catalisador de Ni, ou superfície tratada com KMnO4 (3D-RCT, ou seja, 3D-CT com superfície rugosa, canto inferior direito na Figura 1 ).