Kan vi lave grafit af kul? Forskere starter med at finde nyt kulstoffast

Efterhånden som verdens appetit på kulstofbaserede materialer som grafit stiger, præsenterede forskere fra Ohio University i denne uge beviser for et nyt kulstoffast stof, de kaldte "amorf grafit".

Fysiker David Drabold og ingeniør Jason Trembly startede med spørgsmålet:"Kan vi lave grafit af kul?"

"Grafit er et vigtigt kulstofmateriale med mange anvendelsesmuligheder. En spirende anvendelse for grafit er til batterianoder i lithium-ion-batterier, og det er afgørende for elbilindustrien - en Tesla Model S har i gennemsnit brug for 54 kg grafit. Sådanne elektroder er bedst, hvis de er lavet med rene kulstofmaterialer, som bliver sværere at opnå på grund af stigende teknologisk efterspørgsel," skriver de i deres papir, "Ab initio simulation of amorphous graphite", der er offentliggjort i dag i Physical Review Letters i> .

"Ab initio" betyder "fra begyndelsen", og deres arbejde forfølger nye veje til syntetiske former for grafit fra naturligt forekommende kulstofholdigt materiale. Hvad de fandt, med flere forskellige beregninger, var et lagdelt materiale, der dannes ved meget høje temperaturer (ca. 3000 grader Kelvin). Dens lag forbliver sammen på grund af dannelsen af ​​en elektrongas mellem lagene, men de er ikke de perfekte lag af sekskanter, der udgør ideel grafen. Dette nye materiale har masser af sekskanter, men også femkanter og sekskanter. Denne ringforstyrrelse reducerer det nye materiales elektriske ledningsevne sammenlignet med grafen, men ledningsevnen er stadig høj i de regioner, der overvejende domineres af sekskanter.

Ikke alle sekskanter

"I kemi kaldes processen med at omdanne kulstofholdige materialer til en lagdelt grafitisk struktur ved termisk behandling ved høj temperatur grafitisering. I dette brev viser vi fra ab initio og maskinlæring molekylære dynamiske simuleringer, at rene kulstofnetværk har en overvældende tilbøjelighed til at konvertere til en lagdelt struktur i et signifikant tætheds- og temperaturvindue, hvor lagdelingen forekommer selv for tilfældige startkonfigurationer. De flade lag er amorf grafen:topologisk uordnede tre-koordinerede kulstofatomer arrangeret i planer med femkanter, sekskanter og sekskanter af kulstof," sagde Drabold. , Distinguished Professor of Physics and Astronomy i College of Arts and Sciences ved Ohio University.

"Da denne fase er topologisk uordnet, er det sædvanlige 'stablingsregister' af grafit kun statistisk respekteret," sagde Drabold. "Lagdelingen observeres uden Van der Waals korrektioner til tæthedsfunktionelle (LDA og PBE) kræfter, og vi diskuterer dannelsen af ​​en delokaliseret elektrongas i gallerierne (hulrum mellem planer) og viser, at interplane-kohæsion delvist skyldes denne lave- tæthedselektrongas. Den elektroniske ledningsevne i planet er dramatisk reduceret i forhold til grafen."

Forskerne forventer, at deres meddelelse vil anspore til eksperimenter og undersøgelser, der adresserer eksistensen af ​​amorf grafit, som kan testes fra eksfoliering og/eller eksperimentelle strukturelle overfladeprober.

Trembly, Russ professor i maskinteknik og direktør for Institute for Sustainable Energy and the Environment i Russ College of Engineering and Technology ved Ohio University, har arbejdet delvist med grøn anvendelse af kul. Han og Drabold - sammen med fysikdoktorandstuderende Rajendra Thapa, Chinonso Ugwumadu og Kishor Nepal - samarbejdede om forskningen. Drabold er også en del af Nanoscale &Quantum Phenomena Institute på OHIO, og han har udgivet en række artikler om teorien om amorft kulstof og amorft grafen. Drabold understregede også det fremragende arbejde fra sine kandidatstuderende med at udføre denne forskning.

Overraskende samhørighed mellem plan

"Spørgsmålet, der førte os til dette, er, om vi kunne lave grafit af kul," sagde Drabold. "Dette papir besvarer ikke det spørgsmål fuldt ud, men det viser, at kulstof har en overvældende tendens til at danne lag - ligesom grafit, men med mange "defekter" såsom femkanter og sekskanter (fem- og syvleddede ringe af kulstofatomer), som passer ganske naturligt ind i netværket. Vi præsenterer beviser for, at amorf grafit eksisterer, og vi beskriver dens dannelsesproces. Det er blevet mistænkt fra eksperimenter, at grafitisering forekommer nær 3.000 K, men detaljerne i dannelsesprocessen og karakteren af ​​uorden i flyene var ukendt," tilføjede han.

Ohio University-forskernes arbejde er også en forudsigelse af en ny fase af kulstof.

"Indtil vi gjorde dette, var det slet ikke indlysende, at lag af amorf grafen (flyene inklusive femkanter og syvkanter) ville hænge sammen i en lagdelt struktur. Det finder jeg ret overraskende, og det er sandsynligt, at eksperimenter vil gå på jagt efter dette. ting nu, hvor dets eksistens er forudsagt," sagde Drabold. "Carbon er mirakelelementet - du kan lave liv, diamant, grafit, Bucky Balls, nanorør, grafen, og nu dette. Der er også en masse interessant grundlæggende fysik i dette - for eksempel hvordan og hvorfor flyene binder, dette i sig selv er ret overraskende af tekniske årsager." + Udforsk yderligere

Grafen er 3D såvel som 2D