Liquido ionico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8861 (2022) Citare questo articolo

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Un nuovo gel ibrido chitina-etilene glicole è stato preparato come elettrolita idrogel per condensatori elettrici a doppio strato (EDLC) utilizzando acetato di 1-butil-3-metilimidazolio [Bmim] [Ac] come solvente di chitina. L'esame della morfologia e della topografia della membrana chitina-EG ha mostrato una superficie omogenea e liscia, mentre lo spessore della membrana ottenuta era di 27 µm. Le prestazioni elettrochimiche dell'elettrolita idrogel chitina-EG sono state studiate mediante voltammetria ciclica e misurazioni di carica/scarica galvanostatica. Il valore di capacità specifica dell'EDLC con elettrolita idrogel chitina-EG è risultato essere 109 F g−1 in un intervallo di potenziale compreso tra 0 e 0,8 V. Il materiale idrogel testato era elettrochimicamente stabile e non si decomponeva nemmeno dopo 10.000 cicli GCD. Inoltre, la cella di test EDLC con idrogel chitina-EG come elettrolita ha mostrato una ritenzione di capacità superiore dopo 10.000 cicli di carica/scarica rispetto a una membrana in fibra di vetro commerciale.

La chitina è un polimero lineare, il secondo polisaccaride più abbondante (dopo la cellulosa) sulla Terra. La natura genera circa 100 miliardi di tonnellate di chitina ogni anno e la sostanza può essere isolata da un'ampia varietà di fonti1,2,3. Questi includono funghi, plancton, spugne e esoscheletri di insetti e crostacei4. Ogni anno, in tutto il mondo vengono prodotti circa 6-8 milioni di tonnellate di scarti di frutti di mare ricchi di chitina (sotto forma di gusci di granchi, gamberetti e aragoste)1. L’attuale sistema di lavorazione dei prodotti ittici porta all’accumulo di molti prodotti di scarto ed è diventato molto problematico, soprattutto in alcuni paesi in via di sviluppo. Pertanto, i governi, l’industria e il mondo accademico dovrebbero prestare maggiore attenzione allo sviluppo di nuovi percorsi sostenibili per raffinare i gusci dei crostacei come risorsa rinnovabile abbondante ed economica1,5,6. Logicamente, in risposta a queste esigenze, il lavoro scientifico dovrebbe concentrarsi sullo sviluppo di nuovi materiali a base di chitina o sulla ricerca di nuove applicazioni per questo biopolimero7.

Per soddisfare le recenti esigenze della chimica sostenibile e delle rigorose normative ambientali, la tecnologia dei supercondensatori si sta concentrando sul potenziale utilizzo di materiali rinnovabili nella progettazione di dispositivi di accumulo di energia8,9,10,11. Recentemente, i polisaccaridi sono diventati opzioni interessanti per la fabbricazione di elettroliti allo stato solido o idrogel in condensatori elettrochimici a doppio strato (EDLC). L'elettrolita, essendo uno dei componenti più importanti di un EDLC, è soggetto a continua ottimizzazione volta a migliorare le caratteristiche elettrochimiche del dispositivo. Le principali innovazioni sviluppate per aumentare la velocità del processo di carica/scarica e per ridurre la resistenza interna del condensatore (eliminazione del passaggio degli ioni dell'elettrolita attraverso il separatore) sono elettroliti polimerici allo stato solido o quasi solido (gel e idrogel)12 . Gli elettroliti polimerici allo stato quasi solido (GPE) sono descritti come matrici polimeriche solide con un elettrolita liquido intrappolato all'interno degli interspazi della catena polimerica. Quando l'elettrolita liquido all'interno della matrice polimerica è a base di acqua, un GPE può essere chiamato elettrolita idrogel13. Tra tutti gli elettroliti allo stato solido e quasi utilizzati negli EDLC, gli idrogel sono stati studiati relativamente poco, nonostante le loro caratteristiche uniche che combinano i vantaggi degli elettroliti allo stato solido e liquidi. L'effetto sinergico all'interno di questi materiali combina i vantaggi di un separatore allo stato solido elettricamente inerte, poroso e permeabile agli ioni con l'elevata conduttività ionica caratteristica degli elettroliti liquidi a base di acqua14. Per formare l’elettrolita idrogel, la matrice polimerica deve essere elettricamente e chimicamente inerte, flessibile e durevole. Ma soprattutto deve trattarsi di un materiale con una struttura 3D complessa di catene polimeriche e proprietà idrofile, accompagnate dalla capacità di rigonfiarsi15. Queste condizioni sono soddisfatte dai polisaccaridi di origine biologica, che offrono anche tre vantaggi essenziali rispetto ai polimeri sintetici. I polisaccaridi, come cellulosa, chitina, chitosano e alginati, sono promettenti materiali idrogel per applicazioni elettrochimiche non solo per la loro struttura polimerica 3D unica, ma soprattutto per la loro biodegradabilità, non tossicità e potenziale di modificazione15,16,17,18 . Ciò spiega perché i polisaccaridi stanno diventando attraenti per la fabbricazione di elettroliti idrogel e come la loro applicazione in dispositivi elettrochimici di accumulo di energia (come gli EDLC) possa ridurre il rilascio di sostanze pericolose nell’ambiente e consentire la produzione di sostanze più flessibili e flessibili. dispositivi più sottili13,19. In precedenza, le membrane a base di chitosano venivano segnalate come elettroliti idrogel per EDLC20. Tuttavia, le proprietà meccaniche del materiale non erano soddisfacenti ed era necessario un rinforzo. Il rinforzo con un'impalcatura prefabbricata naturalmente isolata da spugne marine ha prodotto una migliore resistenza meccanica e migliori capacità specifiche. Il pieno potenziale della chitina nello sviluppo di EDLC sostenibili è ancora poco esplorato. Ciò è associato all'eccezionale stabilità chimica della chitina, dovuta alla formazione di una rete di forti legami idrogeno inter- e intra-fibrillari che rendono difficile la lavorazione della chitina11,21,22. La chitina è isolata sotto forma di scaglie o polvere e, a causa della sua resistenza chimica, richiede vari trattamenti per trasformarla in una forma su misura per un'applicazione specifica. D'altra parte, l'elevata stabilità chimica della chitina è il vantaggio principale dell'uso di questo biopolimero come matrice polimerica per l'elettrolita idrogel nei condensatori elettrochimici, garantendo un'adeguata resistenza in vari elettroliti liquidi23,24. Lo sviluppo tecnologico ha dotato gli scienziati di nuovi strumenti e metodi per trasformare questo polimero nelle forme desiderate25,26,27,28,29,30,31. Ad esempio, per la preparazione di membrane a base di chitina vengono spesso applicati metodi di idrolisi acida32, metodi di ossidazione mediata da TEMPO33 e perossido34 o un processo di congelamento-scongelamento35. Tuttavia, questi metodi richiedono l'uso di sostanze chimiche aggressive e i nanocristalli o nanobaffi di chitina idrolizzata hanno spesso un rapporto lunghezza/diametro sfavorevole basso. Pertanto, l’utilizzo di liquidi ionici e solventi eutettici profondi sembra essere una pietra miliare importante che apre nuove prospettive per la lavorazione della chitina e lo sviluppo di una nuova generazione di materiali a base di chitina che consentono a questo biopolimero di mantenere la sua promessa. Entrambi i tipi di solventi sono classificati come forme di lavorazione della biomassa verde e rispettano i principi della chimica e dell'ingegneria sostenibili. L'applicazione di liquidi ionici consente la fabbricazione completamente controllata di membrane chitinose, pellicole, nanofibrille o persino scaffold stampati in 3D con proprietà fisico-chimiche uniche attraenti per varie applicazioni sofisticate36,37,38. Inoltre, i liquidi ionici possono essere facilmente recuperati e riutilizzati per la lavorazione della chitina37. Un vantaggio importante degli IL è che la vera dissoluzione della chitina invece della nanofibrillazione può generare un numero significativo di derivati ​​specifici per attività con funzionalità su misura39,40. Gli IL svolgono anche un ruolo importante nella progettazione di nuovi dispositivi di stoccaggio dell'energia: per una revisione vedere41.