Forskere bruger grafen-skabeloner til at lave nye metaloxid-nanostrukturer

Forskere fra Brown University har fundet en ny metode til fremstilling af ultratynde metaloxidplader, der indeholder indviklede rynke- og krøllemønstre. I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano , forskerne viser, at de teksturerede metaloxidfilm har bedre ydeevne, når de bruges som fotokatalysatorer og som batterielektroder.

De nye resultater bygger på tidligere arbejde udført af den samme forskergruppe, hvor de udviklede en metode til at introducere finjusterede rynke- og krølleteksturer i ark af nanomaterialet grafenoxid. Undersøgelsen viste, at processen forbedrede nogle af grafens egenskaber. Teksturerne gjorde grafen bedre i stand til at afvise vand, hvilket ville være nyttigt til fremstilling af vandafvisende belægninger, og forbedret grafens evne til at lede elektricitet.

Forskerne troede, at lignende strukturer kunne forbedre egenskaberne af andre materialer - specifikt metaloxider - men der er et problem. At introducere rynke- og krøllestrukturer i grafen, holdet komprimerede arkene flere gange i flere retninger. Den proces vil ikke fungere for metaloxider.

"Metaloxider er for stive, " sagde Po-Yen Chen, en Hibbitt Postdoc-forsker ved Brown's School of Engineering, der ledede arbejdet. "Hvis du prøver at komprimere dem, de knækker."

Så Chen, arbejder med laboratorier af Robert Hurt og Ian Y. Wong, begge ingeniørprofessorer ved Brown, udviklet en metode til at bruge de krøllede grafenplader som skabeloner til fremstilling af krøllede metaloxidfilm.

"Vi viste, at vi kan overføre disse overfladetræk fra grafen til metaloxiderne, " sagde Chen.

Holdet startede med at lave stakke af sammenkrøllede grafenark ved hjælp af den metode, de tidligere havde udviklet. De aflejrede grafen på et polymersubstrat, der krymper ved opvarmning. Når underlaget krymper, det komprimerer grafenet, der sidder på toppen, skabe rynker eller krølle strukturer. Herefter fjernes underlaget, efterlader fritstående plader af krøllet grafen. Komprimeringsprocessen kan udføres flere gange, skabe stadig mere komplekse strukturer. Processen tillader også kontrol af, hvilke typer teksturer der dannes. Fastspænding af krympefilm på modsatte sider og krympning i kun én retning skaber periodiske rynker. Krympning i alle retninger skaber krøller. Disse krymper kan udføres flere gange i flere konfigurationer for at skabe en bred vifte af teksturer.

For at overføre disse mønstre til metaloxider, Chen placerede stablerne af rynkede grafenplader i en vandbaseret opløsning indeholdende positivt ladede metalioner. Den negativt ladede grafen trak disse ioner ind i mellemrummene mellem arkene. Partiklerne bundet sammen i mellemlagsrummet, skabe tynde metalplader, der fulgte grafenens rynkemønstre. Grafenen blev derefter oxideret væk, efterlader de krøllede metal-oxid-plader. Chen viste, at processen fungerer med en række metaloxider - zink, aluminium, mangan- og kobberoxider.

Da de havde lavet materialerne, forskerne testede dem derefter for at se, om som det var tilfældet med grafen, de teksturerede overflader forbedrede metaloxidernes egenskaber.

De viste, at rynket manganoxid, når det bruges som batterielektrode, havde en ladningsbærende kapacitet, der var fire gange højere end en plan plade. Det er sandsynligvis fordi rynkekanterne giver elektroner en defineret vej at følge, gør det muligt for materialet at bære flere af dem ad gangen, siger forskerne.

Holdet testede også krøllet zinkoxids evne til at udføre en fotokatalytisk reaktion - reducere et farvestof opløst i vand under ultraviolet lys. Forsøget viste, at den krøllede zinkoxidfilm var fire gange mere reaktiv end en plan film. Det er sandsynligvis fordi de krøllede film har større overfladeareal, som giver materialet mere reaktive steder, sagde Chen.

Ud over at forbedre metallernes egenskaber, Chen påpeger, at processen også repræsenterer en måde at lave tynde film af materialer, der normalt ikke egner sig til ultratynde konfigurationer.

"Ved at bruge grafen indespærring, vi kan guide samling og syntese af materialer i to dimensioner, " sagde han. "Baseret på det, vi lærte af at lave metaloxidfilmene, vi kan begynde at tænke på at bruge denne metode til at lave nye 2D-materialer, der ellers er ustabile i bulkløsning. Men med vores indespærringsmetode, vi tror, ​​det er muligt."