ضرورت رشد و توسعه سیستم‌های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی ایمن، پاک، زیست سازگار و تجدیرپذیر تلاش‌های تحقیقاتی زیادی را به سمت الهام‌گیری از طبیعت به منظور بهبود و ارتقاء ویژگی‌های ساختاری و عملکردی مواد الکترودی و دیگر اجزاء سازنده باتری‌ها و ابرخازن‌ها موجب شده است. در این بین، نگاهی دقیق و موشکافانه به فرآیند تولید و ذخیره انرژی در سیستم‌های بایولوژیکی در حین فرآیند فتوسنتز و تنفس سلولی نشان می‌دهد که این فرآیندها توسط تعداد زیادی از کوفاکتورها و انتقال دهنده‌های الکترونی بین سلولی طی انواع واکنش‌های ردوکس سریع، برگشت‌پذیر و زنجیره‌ای با قابلیت و کارایی بالایی انجام می‌گیرند. تحقیقات نشان داده که این انتقال دهنده‌های الکترونی از نظر ساختار شیمیایی عمدتاً اساس کینون و یا پتریدین دارند. از این‌رو شناسایی و یافتن منابع طبیعی غنی از این گونه های شیمیایی می‌تواند به عنوان یک راهکار موثر و امیدبخش برای بهبود و ارتقاء نسل آینده سیستم‌های ذخیره انرژی ساخت بشر تلقی گردد.

لیگنین یکی از ترکیبات طبیعی غنی از گروه های ردوکس کینونی است . لیگنین دومین بایوپلیمر فراوان موجود در طبیعت بعد از سلولز است که بصورت عمده در بخش چوبی درختان و گیاهان وجود دارد و باعث ایجاد استحکام و انسجام در آنها می‌شود. لیگنین از نظر ساختاری از انواع حلقه‌های آروماتیک با گروه‌های عاملی مختلف ساخته شده و از این حیث غنی‌ترین منبع برای تولید ترکیبات آروماتیک بعد از نفت خام به حساب می‌آید. اگرچه روش‌های مختلفی برای استخراج این ماده از گیاهان و درختان وجود دارد اما فرم سولفون‌دار شده این ماده که با نام تجاری لیگنوسولفونات شناخته می‌شود به صورت فراوان به عنوان پسماند صنایع کاغذسازی در سراسر جهان تولید می‌شود که عمدتا برای تأمین انرژی در همین صنایع سوزانده می‌شود! ویژگی‌های ساختاری و رفتار شیمیایی چندگانه و منحصر به فرد این ماکرومولکول تجدیدپذیر اخیراً توجه پژوهشگران زیادی را به خود جلب کرده است.

اگرچه لیگنین به دلیل درصد بالای کربن تشکیل دهنده آن، می‌تواند به تنهایی و طی فرآیندهای کربونیزه شدن و فعال‌سازی های فیزیکی و شیمیایی به عنوان ماده فعال الکترودی بکار گرفته شود، اما برای بکار‌گیری آن به عنوان منبعی از گروه‌های ردوکس کینون/ هیدروکینون لازم است که این ماده‌ی ذاتاً نارسانا، بطور موثری در یک شبکه رسانای ثانویه قرار گیرد تا مسیرهای الکترونی لازم برای انتقال الکترون بین جمع کننده جریان و گونه های ردوکس کینون/ هیدروکینون آن برقرار شود. از جمله این مواد رسانا می توان به پلی آنیلین اشاره کرد. رشته‌های پلیمری به دلیل هدایت الکترونی و یونی بالا می‌توانند با دربرگیری مولکول‌های لیگنوسولفونات به تبادل الکترون بین آنها و سطح الکترود و فعال سازی گونه های عاملی ردوکس آن کمک کنند. علاوه بر این، گروه‌های عاملی مختلف و گروه‌های سولفونات موجود بر روی ماکرومولکول لیگنوسولفونات می‌توانند به عنوان قالبی برای هدایت سنتز پلیمر و نیز به عنوان دوپ کننده آن عمل کنند.

در این مطالعه، یک روش سنتز الکتروشیمیایی تک مرحله‌ای سریع با اعمال پالس‌های پتانسیل طراحی شده برای سنتز شبکه در هم تنیده پلی آنیلین- لیگنوسولفونات روی بستری از فیبرهای کربنی ارائه شده است به گونه ای که مورفولوژی و خواص ساختاری و الکتروشیمیایی نانوکامپوزیت تهیه شده قابل تنظیم است. در پلیمرهای هادی از جمله پلی‌آنیلین، موازنه بار در حین فرآیندهای اکسایش- کاهش عمدتا توسط ورود یون ها به داخل و خروج یون ها از پیکره پلیمر انجام می گیرد که این مسئله باعث آماس، چروک شدگی پلیمر و کاهش خواص مکانیکی و متعاقبا کاهش عمر چرخه‌ای این مواد الکترودی می‌شود. وجود ماکرومولکول‌های بزرگ پلی‌آنیونی لیگنوسولفونات که در ماتریس رشته های پلی‌آنیلین به دام افتاده‌اند باعث می شود تا علاوه بر یون هایSO₄، یون های کوچک و بسیار فعال تر ⁺H نیز عهده‌دار فرآیند موازنه بار شوند. همین مسئله باعث بهبود قابل توجهی در عملکرد ابرخازنی نانوکامپوزیت بدست آمده از نظر سرعت پذیری و عمر چرخه‌ای در مقایسه با پلی‌آنیلین و نیز سایر مواد الکترودی در مطالعات مشابه گردید که قابلیت این ماده الکترودی را برای ساخت ابرخازن‌های پیشرفته، عاری از فلز و زیست سازگار نشان می دهد.

حاصل این کار پژوهشی گروهی که با محوریت گروه تحقیقاتی پروفسور میرفضل اله موسوی با همکاری دکتر ندا دیانت (دانشجوی وقت دکترا)، دکتر ابوالحسن نوری هر سه از دانشگاه تربیت مدرس، دکتر محمدصفی رحمانی فر از دانشگاه شاهد، و پروفسور ریچارد کینر (Richard B. Kaner) و دکتر ماهر الکادی (Maher F. El-Kady) از دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس (UCLA) آمریکا صورت پذیرفته در مجله Nano Letters از انتشارات انجمن شیمی آمریکا به چاپ رسیده است.

برای مشاهده جزئیات این پژوهش، لینک مقاله را کلیک نمایید.