3D grafen:Super-kondensatorer fra sukkerbobler

Grafenplader er enormt stærke, let og fremragende til at lede elektricitet. Teoretisk set, makroskopiske tredimensionelle grafensamlinger bør bevare egenskaberne af nanoskala grafenflager. Imidlertid, nylige forsøg på at lave 3D-grafen har resulteret i svag ledningsevne på grund af dårlig kontakt mellem grafenplader. Tab af styrke er også et problem, og selvbærende 3D-grafen er endnu ikke blevet produceret.

Nu, Xuebin Wang og Yoshio Bando ved Japans verdensledende internationale center for nanoarkitektoniske materialer (WPI-MANA), sammen med kolleger i Japan og Kina, har skabt en ny måde at lave 3D-grafen på ved hjælp af bobler blæst i en polymer glukoseopløsning. Det resulterende 3D -grafen er robust og bevarer fremragende ledningsevne.

Inspireret af den gamle madkunst 'blæst sukker', Bando og hans team ræsonnerede, at den struttede, sammenhængende karakter af sammenføjede bobler ville låne sig til styrke og ledningsevne, hvis grafen kunne struktureres på samme måde. Forskerne lavede en sirup af almindeligt sukker og ammoniumchlorid. De opvarmede sirupen, generere en glukosebaseret polymer kaldet melanoidin, som derefter blev blæst til bobler ved hjælp af gasser frigivet af ammoniummet. Holdet fandt, at slutproduktet af den bedste kvalitet var resultatet af en balance mellem ammoniumnedbrydning og glucosepolymerisering i denne fase.

Efterhånden som boblerne voksede, den resterende sirup drænet ud af boblevæggene, efterlader inden for skæringspunkter mellem tre bobler. Under yderligere opvarmning, deoxidering og dehydrogenering, melanoidinet blev gradvist grafitiseret til at danne "strutted graphene":en sammenhængende 3D-struktur, der består af grafenmembraner forbundet af grafen-stiver-rammer, som var resultatet af henholdsvis originale boblevægge og intersektionelle skeletter.

Boblestrukturen tillader fri bevægelse af elektroner i hele netværket, hvilket betyder, at grafenen bevarer fuld ledningsevne. Ikke kun dette, men den mekaniske styrke og elasticitet af 3D-grafen er ekstraordinær robust - holdet var i stand til at komprimere det ned til 80% af dets oprindelige størrelse med lidt tab af ledende egenskaber eller stabilitet.

Efter deres opdagelse, Bando og hans team producerede pålideligt 3D-grafen i gram-niveau til en pris på $0,5 pr. gram i deres laboratorium. De lave omkostninger, høj skalerbarhed af denne nye metode kan have mange anvendelser inden for teknik og elektronik. Selektivt blev det rigelige produkt anvendt som en yderst effektiv superkondensator; dens maksimale effekttæthed er højest blandt 3D-grafenbaserede vandige super-kondensatorer, ca. 10^6 W/kg. Dette belyser en fantastisk fremtid for hurtig opstart af elbiler og lancering af fly.