Kemikere fremstiller laser-induceret grafen af ​​træ

Rice University-forskere har gjort træ til en elektrisk leder ved at forvandle dets overflade til grafen.

Riskemiker James Tour og hans kolleger brugte en laser til at sværte et tyndt filmmønster på en fyrblok. Mønsteret er laser-induceret grafen (LIG), en form for det atomtynde kulstofmateriale, der blev opdaget ved Rice i 2014.

"Det er en forening af det arkaiske med det nyeste nanomateriale i en enkelt sammensat struktur, " sagde Tour.

Opdagelsen er detaljeret denne måned i Avancerede materialer .

Tidligere iterationer af LIG blev lavet ved at opvarme overfladen af ​​en plade af polyimid, en billig plastik, med en laser. I stedet for et fladt ark af sekskantede kulstofatomer, LIG er et skum af grafenplader med en kant fastgjort til den underliggende overflade og kemisk aktive kanter udsat for luften.

Ikke et hvilket som helst polyimid ville producere LIG, og nogle skove foretrækkes frem for andre, sagde Tour. Forskerholdet ledet af Rice kandidatstuderende Ruquan Ye og Yieu Chyan prøvede birk og eg, men fandt ud af, at fyrrens tværbundne lignocellulosestruktur gjorde det bedre til fremstilling af grafen af ​​høj kvalitet end træ med et lavere ligninindhold. Lignin er den komplekse organiske polymer, der danner stive cellevægge i træ.

Ye sagde, at det at omdanne træ til grafen åbner nye veje for syntesen af ​​LIG fra ikke-polyimidmaterialer. "For nogle applikationer, såsom tredimensionel grafenudskrivning, polyimid er muligvis ikke et ideelt substrat, sagde han. Desuden træ er rigeligt og fornybart."

Som med polyimid, processen foregår med en standard industriel laser ved stuetemperatur og -tryk og i en inert argon- eller brintatmosfære. Uden ilt, varme fra laseren brænder ikke fyrretræet, men forvandler overfladen til rynkede flager af grafenskum bundet til træoverfladen. Ændring af lasereffekten ændrede også den kemiske sammensætning og termiske stabilitet af den resulterende LIG. Ved 70 procent strøm, laseren producerede den højeste kvalitet af det, de kaldte "P-LIG, " hvor P'et står for "fyr".

Laboratoriet tog sin opdagelse et skridt videre ved at omdanne P-LIG til elektroder til at spalte vand til brint og oxygen og superkondensatorer til energilagring. For førstnævnte, de afsatte lag af kobolt og fosfor eller nikkel og jern på P-LIG for at lave et par elektrokatalysatorer med høje overfladearealer, der viste sig at være holdbare og effektive.

Afsætning af polyanilin på P-LIG gjorde det til en energilagrende superkondensator, der havde brugbare ydelsesmålinger, sagde Tour.

"Der er flere applikationer at udforske, " sagde du. "F.eks. vi kunne bruge P-LIG i integrationen af ​​solenergi til fotosyntese. Vi tror på, at denne opdagelse vil inspirere videnskabsmænd til at tænke over, hvordan vi kunne konstruere de naturressourcer, der omgiver os, til bedre fungerende materialer."

Tour oplevede en mere umiddelbar miljøfordel ved biologisk nedbrydelig elektronik.

"Graphene er et tyndt lag af et naturligt forekommende mineral, grafit, så vi ville sende det tilbage til jorden, hvorfra det kom sammen med træplatformen i stedet for til en losseplads fuld af elektronikdele."