James bond:En grafen / nanorør hybrid

(Phys.org) – En sømløs grafen/nanorør-hybrid skabt på Rice University kan være det bedste elektrodegrænseflademateriale til mange energilagrings- og elektronikapplikationer.

Anført af Rice -kemiker James Tour, forskere har med succes dyrket skove af kulstofnanorør, der hurtigt rejser sig fra plader af grafen til forbløffende længder på op til 120 mikron, ifølge et papir offentliggjort i dag af Naturkommunikation . Et hus på en gennemsnitlig grund med det samme billedformat ville stige op i rummet.

Det udmønter sig i en enorm mængde overfladeareal, nøglefaktoren for at lave ting som energilagrende superkapacitorer.

Rishybriden kombinerer todimensionel grafen, som er et ark af kulstof et atom tykt, og nanorør til en sømløs tredimensionel struktur. Bindingerne mellem dem er kovalente, hvilket betyder, at tilstødende carbonatomer deler elektroner i en meget stabil konfiguration. Nanorørene sidder ikke blot på grafenarket; de bliver en del af det.

"Mange mennesker har forsøgt at fastgøre nanorør til en metalelektrode, og det er aldrig gået særlig godt, fordi de får en lille elektronisk barriere lige ved grænsefladen, "Tour sagde." Ved at dyrke grafen på metal (i dette tilfælde kobber) og derefter dyrke nanorør fra grafen, den elektriske kontakt mellem nanorørene og metalelektroden er ohmsk. Det betyder, at elektroner ikke ser nogen forskel, fordi det hele er et problemfrit materiale.

"Dette giver os effektivt, et meget højt overfladeareal på mere end 2, 000 kvadratmeter per gram materiale. Det er et stort antal, " sagde Tour, Rice's T.T. og W.F. Chao-stol i kemi samt professor i maskinteknik og materialevidenskab og datalogi og medforfatter med tidligere postdoktorforsker og hovedforfatter Yu Zhu, nu adjunkt ved University of Akron.

Tour sagde beviset på materialets hybride natur ligger i de syv-leddede ringe ved overgangen fra grafen til nanorør, en struktur forudsagt af teori for et sådant materiale og nu bekræftet gennem elektronmikroskopbilleder med subnanometer opløsning.

Carbon har ingen peer som et ledende materiale i en så tynd og robust form, især i form af grafen eller visse typer nanorør. Kombinationen af ​​de to ser ud til at give et stort potentiale for elektroniske komponenter som hurtige superkondensatorer, på grund af det massive overfladeareal, kan rumme en masse energi i en lille pakke.

Riskemiker Robert Hauge og hans team tog de første skridt hen imod en sådan hybrid i løbet af det sidste årti. Hauge, en fremtrædende fakultetsstipendiat i kemi på Rice og medforfatter til det nye værk, opdaget en måde at lave tætpakkede tæpper af nanorør på et kulstofsubstrat ved at suspendere katalysator-snøret flager i en ovn. Ved opvarmning, katalysatoren byggede kulstof nanorør som skyskrabere, starter ved underlaget og arbejder sig op. I processen, de løftede aluminiumoxidbufferen op i luften. Det hele lignede en drage med mange strenge og blev døbt en odako, som de gigantiske japanske drager.

I det nye værk, holdet dyrkede en specialiseret odako, der beholdt jernkatalysatoren og aluminiumoxidbufferen, men lagde dem oven på et lag grafen, der var dyrket separat på et kobbersubstrat. Kobberet blev ved med at fungere som en fremragende strømopsamler for de tredimensionelle hybrider, der blev dyrket inden for få minutter til kontrollerbare længder på op til 120 mikron.

Elektronmikroskopbilleder viste en-, to- og trevæggede nanorør, der er fast indlejret i grafen, og elektriske test viste ingen modstand mod strømmen ved krydset.

"Den ydeevne, vi ser i denne undersøgelse, er lige så god som de bedste kulstofbaserede superkondensatorer, der nogensinde er blevet fremstillet, " sagde Tour. "Vi er ikke rigtig et superkondensatorlaboratorium, og stadig var vi i stand til at matche ydeevnen på grund af kvaliteten af ​​elektroden. Det er virkelig bemærkelsesværdigt, og det hele går tilbage til den unikke grænseflade. "