Nyt nanomateriale bevarer ledningsevnen i 3-D

Et internationalt hold af forskere har udviklet, hvad der kan være den første et-trins proces til fremstilling af sømløse kulstofbaserede nanomaterialer, der har overlegen termisk, elektriske og mekaniske egenskaber i tre dimensioner.

Forskningen rummer potentiale for øget energilagring i højeffektive batterier og superkondensatorer, øge effektiviteten af ​​energiomdannelse i solceller, til letvægts termiske belægninger og mere. Undersøgelsen er offentliggjort i dag i online-tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Ved tidlig test, en tredimensionel (3D) fiberlignende superkondensator lavet med de uafbrudte fibre af kulstofnanorør og grafen matchet eller forbedret - med en faktor fire - den rapporterede rekordhøje kapacitet for denne type enhed.

Anvendes som modelektrode i en farvesensibiliseret solcelle, materialet gjorde det muligt for cellen at konvertere strøm med op til 6,8 procent effektivitet og mere end fordoblede ydeevnen af ​​en identisk celle, der i stedet brugte en dyr platintråd modelektrode.

Carbon nanorør kunne være stærkt ledende langs 1D nanorørs længde og todimensionelle grafenplader i 2Dplanet. Men materialerne kommer til kort i en tredimensionel verden på grund af den dårlige mellemlagsledningsevne, ligesom to-trins processer, der smelter nanorør og grafen sammen i tre dimensioner.

"To-trins processer, som vores laboratorium og andre udviklede tidligere, mangler en sømløs grænseflade og, derfor, mangler den adspurgte adfærd, " sagde Liming Dai, Kent Hale Smith professor i makromolekylær videnskab og teknik ved Case Western Reserve University og leder af forskningen.

"I vores et-trins proces, grænsefladen er lavet med carbon-til-carbon-binding, så det ser ud som om det er et enkelt grafenark, " sagde Dai. "Det gør den til en fremragende termisk og elektrisk leder i alle planer."

Dai har arbejdet i næsten fire år med Zhong Lin Wang, Hightower-stolen i Materials Science and Engineering, og Yong Ding, en senior forsker, ved Georgia Institute of Technology; og Zhenhai Xia, professor i materialevidenskab og teknik, ved University of North Texas; Ajit Roy, ledende materialeforskningsingeniør i Materials and Manufacturing Directorate, Air Force Research Laboratory, Dayton; og andre på et U.S. Department of Defense-Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) program (Joycelyn Harrison, Programleder). Der blev også lavet et tæt samarbejde med Yuhua Xue, forskningsassistenten ved CWRU og gæsteforsker fra Institute of Advanced Materials for Nano-Bio Applications, Skolen for oftalmologi og optometri, Wenzhou Medical University, sammen med Jia Qu og Hao Chen, professorer ved Wenzhou Medical University.

For at lave 3D-materialet, forskerne ætset radialt justerede nanohuller langs længden og omkredsen af ​​en lille aluminiumtråd, brugte derefter kemisk dampaflejring til at dække overfladen med grafen uden at bruge nogen metalkatalysator, der kunne forblive i strukturen.

"Radialt justerede nanorør vokser i hullerne. Grafenen, der dækker lednings- og nanorør-arrays, er kovalent bundet, dannelse af rene kulstof-til-kulstof-knudepunkter, der minimerer termisk og elektrisk modstand, " sagde Wang.

Arkitekturen giver et enormt overfladeareal, tilføjelse til transportegenskaberne, siger forskerne. Ved at bruge Brunauer, Emmett og Teller teori, de beregner overfladearealet af denne arkitektur til at være næsten 527 kvadratmeter pr. gram materiale.

Test viste, at materialet er en ideel elektrode til højeffektiv energilagring. Kapacitans efter område nåede så højt som 89,4 millifarad per kvadratcentimeter og efter længde, op til 23,9 millifarad per centimeter i den fiberlignende superkondensator.

Ejendommene kan tilpasses. Med et-trins processen, materialet kan laves meget langt, eller ind i et rør med en bredere eller smallere diameter, og tætheden af ​​nanorør kan varieres for at producere materialer med forskellige egenskaber til forskellige behov.

Materialet kan bruges til ladningslagring i kondensatorer og batterier, eller den store overflade kan muliggøre lagring af brint. "Egenskaberne kan bruges til et endnu bredere udvalg af applikationer, inklusive følsomme sensorer, bærbar elektronik, termisk styring og multifunktionelle rumfartssystemer", sagde Roy.

Forskerne fortsætter med at udforske de egenskaber, der kan udledes af disse enkelte 3D-grafenlagfibre og udvikler en proces til fremstilling af flerlagsfibre.