Un equipo de investigación ha construido nanoarrays de electrodos de tubos de carbono tridimensionales de alta densidad para su uso en condensadores de filtrado de línea, mostrando un inmenso potencial como dispositivos de filtrado miniaturizados de alto rendimiento.

Los resultados de la investigación fueronpublicadoenNano-Micro Letras.

Los condensadores de filtro son esenciales para convertir señales de voltaje fluctuantes en corriente continua constante.Los condensadores electrolíticos de aluminio (AEC) se utilizan habitualmente, pero son bastante grandes y tienen una capacitancia limitada, lo que dificulta la reducción del tamaño de la electrónica moderna.

Los condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) tienen una densidad de energía mucho mayor, lo que los convierte en una alternativa prometedora para filtros más pequeños.condensadoraplicaciones.Sin embargo, los EDLC tradicionales a base de carbono tienen un transporte de iones lento, lo que les dificulta lograr una alta densidad de energía y una respuesta de frecuencia rápida necesaria para el filtrado de líneas.

El equipo, dirigido por el Prof. Meng Guowen y el Prof. Han Fangming de los Institutos Hefei de Ciencias Físicas de la Academia de Ciencias de China, junto con el Prof. Wei Bingqing de la Universidad de Delaware y el Prof. Li Xiaoyan de la Universidad de Tsinghua, realizaron unestudio sistemático destinado a manipular con precisión laestructura de porosde anodizado poroso interconectado tridimensionalóxido de aluminio(3D-AAO) plantillas.

Lograron una hazaña notable al ajustar continuamente el diámetro de los poros verticales de 3D-AAO de 70 a 250 nm y el espacio entre poros de 100 a 450 nm.Aprovechando estas plantillas sintonizables, fabricaron electrodos de nanomatriz de tubos de carbono dispuestos de forma compacta en 3D (3D-CACT) mediante deposición química de vapor.

Las pruebas de área de superficie específica revelaron que la reducción tanto del diámetro de los poros como del espacio entre ellos aumentaba significativamente el área de superficie del electrodo.

El dispositivo resultante basado en electrodos 3D-CACT exhibió un rendimiento de respuesta de frecuencia excepcional caracterizado por un ángulo de fase de -80,2° a 120 Hz, una resistencia en serie equivalente ultrabaja de menos de 0,07 Ω cm.2^{y una rápida constante de tiempo de resistencia-capacitancia de 0,25 ms.}En particular, su capacitancia de área específica a 120 Hz alcanzó 3,23 mF cm

-2^{, superando con creces el de los AEC comerciales (~0,08 mF cm-2}) y EDLC de filtrado de línea de tipo sándwich acuosos informados anteriormente.^{Esto subraya la capacidad del nanoarray 3D-CACT para facilitar el transporte eficiente de iones y ofrecer abundantes sitios de adsorción de carga.}Además, los investigadores demostraron la escalabilidad de su enfoque conectando en serie seis y diez conjuntos de EDLC idénticos basados ​​en 3D-CACT, ampliando con éxito el voltaje de funcionamiento de los condensadores y preservando al mismo tiempo su rápida respuesta de frecuencia y sus características de baja pérdida.

Para mostrar la practicidad de su invención, emplearon 10 dispositivos conectados en serie como filtros, convirtiendo efectivamente varias entradas de corriente alterna (incluidas ondas sinusoidales, cuadradas, triangulares, ruidosas y señales pulsadas de un nanogenerador triboeléctrico giratorio) en señales suaves de corriente continua.

con un rendimiento de filtrado comparable al de los AEC comerciales.

"Los electrodos de nanoarrays 3D-CT de alta densidad ofrecen soluciones prometedoras para condensadores de filtro de alto rendimiento, sistemas de energía y electrónica miniaturizados avanzados", dijo el profesor Meng, "y el método asistido por plantilla de estructura ajustable permite la personalización del tamaño de los nanomateriales ypromueve el desarrollo de microdispositivos integrables innovadores."

Más información:Gan Chen et al, Electrodo de nanomatriz de tubo de carbono 3D de alta densidad que aumenta la capacitancia del condensador de filtro,Nano-Micro Letras(2024).DOI: 10.1007/s40820-024-01458-6