Uma equipe internacional, liderada pelo CNRS, pelo synchrotron Soleil e pelas universidades de Lille, Nantes, Toulouse e Califórnia, desenvolveu eletrodos à base de nitrureto de rutênio (RuN) com desempenho excepcional. Publicados no Nature Materials, estes estudos incluem também desenvolvimentos metodológicos para o estudo dos processos eletroquímicos em supercapacitores.
Comparação entre diferentes eletrodos, classificados da esquerda para a direita de acordo com a velocidade de difusão de íons e o transporte de elétrons. O eletrodo de nitrureto de rutênio está na extrema direita.
© Anne Duchene, Huy Dinh Khac e Christophe Lethien
Os supercapacitores armazenam energia elétrica enquanto oferecem potência e velocidade de carregamento superiores às baterias, mas possuem uma menor capacidade de armazenamento. Uma ampla equipe franco-americana, que inclui pesquisadores do CNRS, do synchrotron Soleil e das universidades de Lille, Nantes, Toulouse e Califórnia, desenvolveu eletrodos de nitrureto de rutênio (RuN). Eles alcançam uma capacidade superior a 500 farads por centímetro cúbico (F.cm-3), que aumenta para 3200 F.cm-3 após um processo de oxidação eletroquímica analisado em tempo real (operando) com radiação synchrotron.
Esses eletrodos têm constantes de tempo inferiores a dez segundos, inclusive antes da oxidação, o que os torna bons candidatos para aplicações de carregamento rápido. Para comparação, eletrodos baseados em MXenes, que são materiais bidimensionais de última geração, atingem cerca de 1500 F.cm-3 com constantes de tempo semelhantes.
Os novos eletrodos são baseados em filmes de nitrureto de rutênio (RuN), depositados por um método otimizado de pulverização catódica. O material assume a forma de fileiras de plumas porosas, de dimensões nanométricas, cujo núcleo é de nitrureto de rutênio e as bordas de óxido de rutênio (RuO2).
Durante a oxidação eletroquímica, o RuO2 se hidrata (h-RuO2) e torna-se o local de rápidas reações redox na interface entre o eletrodo e o eletrólito. Assim, os elétrons são transportados rapidamente através do núcleo das nano plumas de RuN, formando um suporte excepcionalmente bom condutor elétrico.
Além das performances alcançadas, este estudo contribui para a compreensão dos mecanismos reacionais por trás desses resultados. Ele inclui uma parte dedicada ao entendimento do armazenamento de cargas operando, por meio de um conjunto de caracterizações avançadas, como a espectroscopia de absorção de raios X sob radiação synchrotron e a microscopia eletrônica de transmissão. Esta tecnologia está em processo de transferência e valorização, com o apoio do CNRS Innovation, na startup Hileores, derivada de trabalhos prévios realizados pela equipe de Lille.
Referências:
Eletrodos de nitrureto de rutênio nanopluma para capacitores eletroquímicos.
Huy Dinh Khac, Grace Whang, Antonella Iadecola, Houssine Makhlouf, Antoine Barnabé, Adrien Teurtrie, Maya Marinova, Marielle Huvé, Isabelle Roch-Jeune, Camille Douard, Thierry Brousse, Bruce Dunn, Pascal Roussel & Christophe Lethien.
Nature Materials, 2024.
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01816-0