طراحی الکترودهای نوین ابرخازن با بهره‌گیری از شیمی کلیک و چارچوب‌های فلزی–آلی

گروه تحقیقاتی شیمی دانشگاه کردستان به سرپرستی دکتر سلیمی در پژوهشی تازه، راهبردی نوآورانه برای طراحی الکترودهای پیشرفته اَبَرخازن ارائه کرده است که نتایج آن در ژورنال بین‌المللی Energy Storage از انتشارات Elsevier منتشر شده است. این مطالعه با تمرکز بر توسعه مواد کارآمد برای سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی، از ترکیب هوشمندانه چند رویکرد پیشرفته در مهندسی مواد بهره گرفته و معماری چندلایه‌ای جدیدی را برای افزایش کارایی اَبَرخازن‌های متقارن معرفی می‌کند.
در این پژوهش، چارچوب‌های فلزی–آلی (MOF) نقشی محوری در طراحی ساختار ایفا می‌کنند. پژوهشگران با استفاده از چارچوب‌های فلزی آلی به‌عنوان یک لایه واسط مهندسی‌شده، بستری منظم و فعال برای اتصال اجزای مختلف الکترود فراهم کرده‌اند. حضور گروه‌های آزید در این چارچوب فلزی آلی امکان بهره‌گیری از شیمی کلیک را فراهم کرده است؛ رویکردی دقیق و انتخاب‌پذیر در شیمی مدرن که برای ایجاد پیوندهای کووالانسی پایدار میان اجزای نانوساختاری به‌کار می‌رود. در این سامانه، واکنش کلیک میان گروه‌های آزید موجود در چارچوب فلزی آلی و پیوندهای آلکاینی در نانولایه‌های گرافیدین (GDY) موجب ایجاد اتصالات کووالانسی مستحکم شده و در نتیجه لایه GDY به‌صورت پایدار بر سطح فوم نیکل تثبیت می‌شود. این اتصال هدفمند نه‌تنها یکپارچگی ساختاری سامانه را افزایش می‌دهد، بلکه مسیرهای انتقال الکترون و یون را نیز بهبود می‌بخشد.
بر روی این بستر مهندسی‌شده، لایه‌هایی از هیدروکسیدهای دولایه‌ای سه‌فلزی نیکل، کبالت و منگنز آلایش‌یافته با مولیبدن به‌طور مستقیم رشد داده شده‌اند تا یک ساختار سلسله‌مراتبی با سطح فعال بالا ایجاد شود. ترکیب این اجزا امکان هم‌افزایی میان واکنش‌های شبه‌خازنی فاردائیک و ظرفیت خازنی دولایه الکتریکی را فراهم کرده و به افزایش قابل توجه عملکرد الکتروشیمیایی الکترود انجامیده است. نتایج آزمایش‌های الکتروشیمیایی نشان می‌دهد که این معماری چندجزئی از سینتیک انتقال بار سریع، رسانایی بهبود‌یافته و پایداری چرخه‌ای بالا برخوردار است و می‌تواند به چگالی انرژی قابل توجه در کنار توان عملیاتی مناسب دست یابد.
به‌طور کلی، این پژوهش نشان می‌دهد که ترکیب چارچوب‌های فلزی–آلی به‌عنوان لایه‌های رابط ساختاری با شیمی کلیک برای ایجاد پیوندهای کووالانسی پایدار می‌تواند راهبردی مؤثر در طراحی نسل جدید مواد ذخیره‌سازی انرژی باشد. چنین رویکردی امکان کنترل دقیق ساختار در مقیاس نانو و ایجاد مسیرهای انتقال بار کارآمد را فراهم می‌کند و می‌تواند به توسعه اَبَرخازن‌های پربازده و پایدار در فناوری‌های انرژی آینده کمک کند. انتشار این دستاورد در نشریه Energy Storage بازتابی از ظرفیت پژوهشی گروه شیمی دانشگاه کردستان در حوزه مواد پیشرفته و سامانه‌های نوین ذخیره انرژی به‌شمار می‌رود.