Lab skaber ledende 3-d kulstofblokke, der kan formes til applikationer

Rice University-forskere har udviklet en enkel måde at producere ledende, tredimensionelle objekter lavet af grafenskum.

De squishy faste stoffer ligner og føles noget som et barns legetøj, men tilbyder nye muligheder for energilagring og fleksible elektroniske sensorapplikationer, ifølge Rice kemiker James Tour.

Teknikken beskrevet i detaljer Avancerede materialer er en forlængelse af banebrydende arbejde udført af Tour-laboratoriet, der producerede den første laser-inducerede grafen (LIG) i 2014 ved at opvarme billige polyimid-plastplader med en laser.

Laseren brænder halvvejs gennem plastikken og forvandler toppen til indbyrdes forbundne flager af 2-D kulstof, der forbliver fastgjort til den nederste halvdel. LIG kan laves i makroskalamønstre ved stuetemperatur.

Laboratoriet udvidede sin teknik til at skabe LIG på træ og endda mad, men 3D-objekter af ren grafen var mindre praktiske indtil nu, sagde Tour.

"Nu har vi bygget en prototypemaskine, der lader os lave grafenskum til 3D-objekter gennem automatisk successiv lagdeling og lasereksponering, " sagde Tour. "Dette bringer virkelig grafen ind i den tredje dimension uden ovne eller behovet for metalkatalysatorer, og vores proces kan nemt skaleres."

Den nye metode er baseret på fremstilling af laminerede objekter, hvori lag af et materiale samles og derefter skæres i form. I dette tilfælde, det nederste LIG-lag forbliver fastgjort til dets polyimidbase. Et andet lag belægges med ethylenglycol og placeres med forsiden nedad på det første, som en gelésandwich. Dens polyimid-top bliver derefter brændt til grafen; processen gentages, indtil blokken er færdig.

Ethylenglycolbindemidlet fordampes på en varmeplade, og eventuelt resterende polyimid kan fjernes i en ovn. Det efterlader en uberørt, svampet kulblok, sagde Duy Xuan Luong, en Rice kandidatstuderende og co-lead forfatter af papiret. Rislaboratoriet stablede op til fem lag skum og brugte derefter et specialbygget fiberlaseringssystem på en modificeret 3-D-printer til at fræse blokken til komplekse former.

Laboratoriet samlede proof-of-concept lithium-ion kondensatorer, der brugte 3-D LIG som både anoder og katoder. Anodens gravimetriske kapacitet på 354 milliampere timer pr. gram nærmede sig den teoretiske grænse for grafit, mens katodens kapacitet oversteg den gennemsnitlige kapacitet af andre kulstofmaterialer. Fuld testceller beholdt omkring 70 procent af deres kapacitet efter 970 opladnings-afladningscyklusser.

"Dette er fremragende ydeevne i denne nye generation af lithium-ion kondensatorer, som fanger de bedste egenskaber ved lithium-ion-batterier og kondensatorhybrider, " sagde Tour.

Forskerne infunderede derefter en blok af 3-D LIG med flydende polydimethylsiloxan gennem dens 20 til 30 nanometer porer. Dette skabte en stærkere, stadig fleksibel, ledende materiale uden at ændre det originale skums form. Fra dette materiale, de lavede en fleksibel sensor, der nøjagtigt registrerede pulsen fra en frivilligs håndled og sagde, at yderligere kalibrering af enheden ville lade dem udtrække blodtrykket fra pulsbølgeformen.