Гибрид графена и нанотрубки

Бесшовный гибрид нанотрубки и графен, созданный в Университете Райса, может стать лучшим материалом для электродов для многих аккумуляторов и приборов. Исследователи под руководством Джеймса Тура успешно создали леса из углеродных нанотрубок, которые быстро вырастали из листов графена на впечатляющую высоту до 120 микрон, согласно статье, которую вчера опубликовали в издании Nature Communications . Если выстроить обычный дом с таким же соотношением площади и высоты, то его крыша выйдет за пределы атмосферы.

В результате мы имеем огромную площадь поверхности, ключевой фактор для создания таких приборов, как суперконденсаторы для хранения энергии.

Гибрид из Университета Райса объединяет двухмерный графен, то есть лист углерода толщиной в один атом, и нанотрубки в бесшовную трехмерную структуру. Связи между ними ковалентные, то есть соседние атомы углерода обмениваются электронами в очень надежной конфигурации. Нанотрубки не просто сидят на листе графена, они становятся его частью.

«Многие люди пытались присоединить нанотрубки к металлическому электроду и этот процесс никогда не проходил хорошо, поскольку они имели небольшой барьер из электронов раз в месте стыка, — говорит Тур. — Если вырастить графен на металле (в данном случае, на меди), а затем создать нанотрубки из графена, электрический контакт между нанотрубками и металлическим электродом омическое. Это означает, что электроны не чувствуют разницы, поскольку это — единственный бесшовный материал ».

«В результате мы имеем огромную площадь поверхности, более 2 000 квадратных метров на грамм материала. Это огромная цифра », — говорит Тур, химик имени Т.Т и В.Ф. Чао Университета Райса, а также профессор инженерной механики и материаловедения и профессор компьютерных наук и соавтор статьи, первый автор которой — бывший постдокторальний исследователь Ю Чжу, который сейчас работает профессором в Акронском Университете.

Тур доказал, что гибридная природа материала лежит в семичленних кольцах на стыке между графеном и нанотрубками: структурой, которая была предусмотрена теорией для подобных материалов и сегодня подтверждена изображениями с электронного микроскопа с субнанометричною резолюцией.

Углерод не имеет равных себе в качестве проводящего материала с настолько тонкой и жесткой структурой, особенно в форме графена и некоторых типов нанотрубок. Сочетание двух видов даст огромный потенциал таким электронным компонентам, как суперконденсаторы, поскольку благодаря массивной площади поверхности он может хранить огромные объемы энергии в небольшом объеме.

Химик Университета Райса Роберт Ходж и его команда сделали первые шаги к созданию подобного гибрида в течение последнего десятилетия. Ходж, почетный член факультета химии Университета Райса и соавтор новой работы, открыл способ создавать плотные ковры нанотрубок на углеродном субстрате подвешивая в печи хлопья, соединенные с катализаторами. При нагревании катализатор создавал подобные небоскребы нанотрубки, от поверхности вверх; буфер из оксида алюминия понемногу поднимался. Вся конструкция вместе похожа на воздушного змея с кучей нитей и получила название «Одако» («odako») в честь гигантских китайских воздушных змеев.

В новой работе команда вырастила особый Одако, который сохранил железный катализатор и буфер из оксида алюминия, однако ученые перенесли конструкцию на слой графена, который отдельно создали на медном субстрате. Медь осталась в качестве отличного токоприемника для трехмерных гибридов, за минуты вырастали на контролируемую высоту до 120 микрон.

На фотографиях с электронного микроскопа видно одно-, двух-и трехслойные нанотрубки, которые прочно вросли в графен; электрическое тестирование показало отсутствие сопротивления электрического тока в местах соединений.
«Технические характеристики, которые мы увидели в этом исследовании, такие же хорошие, как и лучшие на сегодня суперконденстеторы на основе углерода, — говорит Тур. — Мы на самом деле не лаборатория по изучению суперконденсаторов сих пор мы могли соответствовать техническим характеристикам из-за качества электродов. Это действительно прекрасно, и все это возвращает нас к этому уникальному интерфейсу »

29.04.2015

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий