Ossido di ferro decorato su carbonio drogato con azoto derivato da MOF a base di ferro e polianilina come elettrodo senza legante per supercondensatori simmetrici

Perché è importante immagazzinare energia più rapidamente

Man mano che le nostre abitazioni, i dispositivi elettronici e le auto elettriche dipendono sempre più dall’energia pulita del sole e del vento, servono soluzioni per immagazzinare quell’energia in modo rapido, sicuro e durevole nel tempo. Le batterie convenzionali possono accumulare molta energia, ma si caricano e si scaricano relativamente lentamente e si degrada-no con l’uso. Questo studio esplora un nuovo tipo di materiale per l’accumulo energetico nei supercondensatori — dispositivi che possono caricarsi in pochi secondi e resistere a decine di migliaia di cicli — con l’obiettivo di colmare il divario tra la rapidità dei condensatori e la capacità delle batterie.

Costruire una spugna energetica migliore

I ricercatori si sono concentrati sulla progettazione di un elettrodo — la parte del supercondensatore che immagazzina effettivamente la carica — che sia altamente conduttivo e ricco di piccole cavità dove possano alloggiare gli ioni. Hanno preso come punto di partenza dei metal–organic framework (MOF) a base di ferro, materiali cristallini porosi, e la polianilina, un noto polimero conduttivo. Riscaldando (pirolizzando) questi ingredienti in azoto, hanno trasformato i MOF in particelle di ossido di ferro supportate su carbonio “drogato” con azoto, e la polianilina in una rete carboniosa porosa e conduttiva che mantiene atomi di azoto. Combinando questi componenti si ottiene un materiale composito in cui nanoparticelle di ossido di ferro sono distribuite in modo uniforme su uno scheletro carbonio–polimero, offrendo una grande area superficiale e numerosi siti attivi per l’accumulo di carica.

Come viene realizzato il nuovo materiale

Per ottenere questo composito, il team ha prima sintetizzato due tipi di MOF a base di ferro (MIL-101(Fe) e una versione modificata con ammina) e strutture di polianilina separate. Hanno quindi legato il MOF contenente ammina alla polianilina e riscaldato la miscela a 500 °C in atmosfera di azoto. Questo processo decompone il reticolo e il polimero originali in una struttura più robusta: piccole particelle di ossido di ferro ancorate a una matrice carboniosa arricchita di azoto proveniente sia dal MOF sia dalla polianilina. Regolando la quantità di MOF miscelata con la polianilina (10%, 20% o 30% in peso), hanno modulato l’architettura finale. Microscopia, diffrazione a raggi X, spettroscopia Raman e tecniche sensibili alla superficie hanno confermato che la miscela al 20% ha prodotto una rete nanoscopica uniforme, con ferro, carbonio, azoto e ossigeno distribuiti in modo omogeneo nel materiale.

Come la struttura si traduce in prestazioni

La verifica principale è stata valutare le prestazioni di questi materiali in supercondensatori a base d’acqua. I ricercatori hanno rivestito fogli di grafite con diverse versioni del composito e ne hanno misurato il comportamento in una soluzione di solfato di litio. Voltammetria ciclica e test di carica–scarica hanno mostrato che tutti i campioni contenenti azoto si comportano principalmente come condensatori elettrostatici a ricarica rapida, con un contributo aggiuntivo proveniente da reazioni superficiali sui siti di ferro e azoto. La formulazione di punta, contenente il 20% del reticolo a base di ferro (denominata 20FNC@P-PANI), ha fornito una capacità specifica di circa 634 farad per grammo a corrente moderata — una misura della quantità di carica immagazzinabile per unità di massa. Questo valore è stato diverse volte superiore rispetto agli elettrodi realizzati solo con il carbonio derivato dal ferro o solo con il carbonio derivato dalla polianilina. Il miglioramento deriva dalla combinazione di ampia area superficiale, buoni percorsi elettrici e dopanti a base di azoto che aumentano la conduttività e creano siti aggiuntivi per l’immagazzinamento degli ioni.

Dal singolo elettrodo al dispositivo funzionante

Per dimostrare il potenziale pratico, il team ha costruito un supercondensatore simmetrico completo utilizzando lo stesso composito su entrambi i lati del dispositivo, separati da un semplice filtro di carta impregnato di elettrolita. Anche con questo design semplice, il dispositivo ha operato in modo stabile su una finestra di tensione relativamente ampia in ambiente acquoso e ha raggiunto densità di energia e di potenza che rivaleggiano o superano molti precedenti sistemi a base di ossido di ferro e polianilina. Poteva erogare circa 48 wattora per chilogrammo a una potenza di circa 790 watt per chilogrammo, fornendo ancora energia utile a potenze molto più elevate. Più impressionante, dopo 10.000 cicli rapidi di carica–scarica a corrente elevata, il dispositivo ha mantenuto più del 95% della sua capacità originale, indicando un’eccellente durabilità.

Cosa significa per i dispositivi futuri

In termini semplici, questo lavoro dimostra che combinare con cura cristalli porosi a base di ferro con un polimero conduttivo — e poi trasformarli mediante calore in una rete unificata di carbonio e ossido di ferro — può produrre elettrodi per supercondensatori che si caricano rapidamente, immagazzinano una quantità significativa di energia e durano a lungo. Poiché i materiali si basano su elementi abbondanti come ferro, carbonio e azoto e utilizzano un elettrolita acquoso, indicano anche una direzione più sostenibile per l’accumulo energetico. Sebbene sia necessario ulteriore sviluppo ingegneristico prima che tali compositi compaiano in prodotti commerciali, lo studio traccia una via promettente per realizzare dispositivi di accumulo energetico veloci, robusti e scalabili a supporto di veicoli elettrici, dispositivi portatili e della più ampia transizione verso energie rinnovabili.

Citazione: 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

Parole chiave: supercondensatori, accumulo di energia, nanocompositi, polianilina, strutture metallico-organiche