Oxyde de fer décoré, carbone dopé à l’azote dérivé de MOF à base de fer et de polyaniline comme électrode sans liant pour supercondensateurs symétriques

Pourquoi un stockage d’énergie plus rapide est important

À mesure que nos habitations, appareils et véhicules électriques dépendent de plus en plus d’une énergie propre issue du soleil et du vent, nous avons besoin de moyens pour stocker cette énergie rapidement, en toute sécurité et sur de longues périodes. Les batteries conventionnelles peuvent contenir beaucoup d’énergie, mais elles se chargent et se déchargent relativement lentement et s’usent avec le temps. Cette étude explore un nouveau type de matériau de stockage pour supercondensateurs — des dispositifs capables de se charger en quelques secondes et de supporter des dizaines de milliers de cycles — visant à combler l’écart entre la rapidité des condensateurs et la capacité des batteries.

Construire une éponge énergétique améliorée

Les chercheurs se sont concentrés sur la conception d’une électrode — la partie d’un supercondensateur qui stocke effectivement la charge — à la fois très conductrice et riche en petites cavités où les ions peuvent se loger. Ils sont partis de MOF (structures métal-organiques) à base de fer, des matériaux cristallins poreux, et de polyaniline, un polymère conducteur bien connu. En chauffant (pyrolysant) ces ingrédients sous azote, ils ont transformé les MOF en particules d’oxyde de fer supportées sur un carbone « dopé à l’azote », et converti le polyaniline en un réseau carboné poreux et conducteur qui conserve des atomes d’azote. Lorsque ces éléments sont combinés, le résultat est un matériau composite où des nanoparticules d’oxyde de fer sont réparties de manière homogène sur un échafaudage carbone‑polymère, offrant une grande surface et de nombreux sites actifs pour le stockage de charge.

Comment le nouveau matériau est fabriqué

Pour fabriquer ce composite, l’équipe a d’abord synthétisé deux types de MOF à base de fer (MIL-101(Fe) et une version modifiée par une amine) et des structures séparées de polyaniline. Ils ont ensuite greffé le MOF contenant des amines au polyaniline et chauffé le mélange à 500 °C sous azote. Ce processus décompose la structure initiale et le polymère en une architecture plus robuste : de minuscules particules d’oxyde de fer ancrées sur une matrice carbonée enrichie en azote provenant à la fois du MOF et du polyaniline. En ajustant la proportion de MOF mélangée au polyaniline (10 %, 20 % ou 30 % en poids), ils ont modulé l’architecture finale. La microscopie, la diffraction des rayons X, la spectroscopie Raman et des techniques de surface ont confirmé que le mélange à 20 % produisait un réseau nanométrique uniforme, avec le fer, le carbone, l’azote et l’oxygène répartis de façon homogène dans le matériau.

Transformer la structure en performance

Le véritable test fut la performance de ces matériaux dans des supercondensateurs à base d’eau. Les chercheurs ont enduit des feuilles de graphite avec différentes versions du composite et mesuré leur comportement dans une solution de sulfate de lithium. La voltampérométrie cyclique et les essais charge–décharge ont montré que tous les échantillons contenant de l’azote se comportaient principalement comme des condensateurs électrostatiques à charge rapide, avec une contribution supplémentaire provenant de réactions de surface sur les sites de fer et d’azote. La formulation remarquable, contenant 20 % du réseau à base de fer (appelée 20FNC@P-PANI), a délivré une capacité spécifique d’environ 634 farads par gramme à un courant modéré — une mesure de la charge stockée par unité de masse. Cela représente plusieurs fois la performance des électrodes fabriquées uniquement à partir du carbone dérivé du fer ou du carbone dérivé du polyaniline. L’amélioration provient de la combinaison d’une grande surface, de bons chemins électriques et de dopants azotés qui améliorent la conductivité et créent des sites supplémentaires de stockage ionique.

De l’électrode unique à l’appareil fonctionnel

Pour démontrer un potentiel réel, l’équipe a construit un supercondensateur symétrique complet en utilisant le même composite sur les deux faces du dispositif, séparées par un simple papier filtre imbibé d’électrolyte. Même avec ce design simple, l’appareil a fonctionné de manière stable sur une fenêtre de tension relativement large en milieu aqueux et a atteint des densités d’énergie et de puissance qui rivalisent ou dépassent de nombreux systèmes antérieurs à base d’oxyde de fer et de polyaniline. Il pouvait délivrer environ 48 watt‑heures par kilogramme à une puissance d’environ 790 watts par kilogramme, tout en fournissant encore de l’énergie utile à des puissances beaucoup plus élevées. Plus impressionnant, après 10 000 cycles rapides charge–décharge à fort courant, l’appareil a conservé plus de 95 % de sa capacité d’origine, indiquant une excellente durabilité.

Ce que cela signifie pour les appareils futurs

En termes simples, ce travail montre que la combinaison soignée de cristaux poreux à base de fer avec un polymère conducteur — puis leur transformation par chauffage en un réseau unifié carbone–oxyde de fer — peut produire des électrodes de supercondensateurs qui se chargent rapidement, stockent une quantité substantielle d’énergie et durent très longtemps. Parce que les matériaux reposent sur des éléments abondants comme le fer, le carbone et l’azote et utilisent un électrolyte aqueux, ils ouvrent également la voie à un stockage d’énergie plus respectueux de l’environnement. Bien que des développements d’ingénierie supplémentaires soient nécessaires avant que de tels composites n’apparaissent dans des produits commerciaux, l’étude décrit une voie prometteuse pour fabriquer des dispositifs de stockage d’énergie rapides, robustes et évolutifs, au service des véhicules électriques, de l’électronique portable et de la transition vers les énergies renouvelables.

Citation: El-Ashry, A.A., El-Gendy, D.M., Adly, M.S. et al. Iron oxide decorated nitrogen doped carbon derived from iron MOFs and polyaniline as binder free electrode for symmetric supercapacitors. Sci Rep 16, 8615 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39173-4

Mots-clés: supercondensateurs, stockage d’énergie, nanocomposites, polyaniline, structures métal-organiques