Grafeen wordt verbeterd door te flitsen

Grafeen laten ontstaan ​​uit afval was slechts een goed begin. Nu passen Rice University-onderzoekers het aan.

Het Rice-lab van chemicus James Tour heeft zijn flash Joule-verwarmingsproces aangepast om gedoteerd grafeen te produceren dat de structuren en elektronische toestanden van het atoomdikke materiaal aanpast om ze geschikter te maken voor optische en elektronische nanodevices. Het dopingproces voegt andere elementen toe aan de 2D-koolstofmatrix van grafeen.

Het proces gerapporteerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano laat zien hoe grafeen kan worden gedoteerd met een enkel element of met paren of trio’s van elementen. Het proces werd gedemonstreerd met enkelvoudige elementen boor, stikstof, zuurstof, fosfor en zwavel, een combinatie van twee elementen van boor en stikstof, en een mengsel van drie elementen van boor, stikstof en zwavel.

Het proces duurt ongeveer een seconde, is zowel katalysator- als oplosmiddelvrij en is volledig afhankelijk van het “flashen” van een poeder dat de doteringselementen combineert met roet.

Doping van grafeen is mogelijk door bottom-up benaderingen zoals chemische dampafzetting of synthetische organische processen, maar deze leveren meestal producten op in sporenhoeveelheden of produceren defecten in het grafeen. Het rijstproces is een veelbelovende route om snel en zonder oplosmiddelen, katalysatoren of water grote hoeveelheden “heteroatoom-gedoteerde” grafeen te produceren.

“Dit opent een nieuw rijk aan mogelijkheden voor flash-grafeen”, zei Tour. “Toen we eenmaal hadden geleerd om het originele product te maken, wisten we dat het vermogen om gedoteerd turbostratisch grafeen direct te synthetiseren, zou leiden tot veel meer opties voor bruikbare producten. Deze nieuwe atomen die aan de grafeenmatrix worden toegevoegd, zullen het mogelijk maken om sterkere composieten te maken, omdat de nieuwe atomen dat wel zullen doen. binden beter aan het gastheermateriaal, zoals beton, asfalt of plastic. De toegevoegde atomen zullen ook de elektronische eigenschappen wijzigen, waardoor ze beter geschikt zijn voor specifieke elektronische en optische apparaten.”

Grafeen is turbostratisch wanneer stapels van de 2D honingraatroosters niet op één lijn liggen. Dit maakt het gemakkelijker om de platen op nanoschaal in een oplossing te verspreiden, waardoor oplosbaar grafeen wordt geproduceerd dat veel eenvoudiger in andere materialen kan worden verwerkt, zei Tour.

Het lab testte verschillende gedoteerde grafenen in twee scenario’s: elektrochemische zuurstofreductiereacties (ORR) die essentieel zijn voor katalytische apparaten zoals brandstofcellen, en als onderdeel van een elektrode in lithium-metaalbatterijen die de volgende generatie oplaadbare batterijen met hoge energiedichtheid vertegenwoordigen.

Met zwavel gedoteerd grafeen bleek het beste voor ORR, terwijl met stikstof gedoteerd grafeen in staat bleek de overpotentiaal van nucleatie te verminderen tijdens de elektrodepositie van metallisch lithium. Dat zou een meer uniforme afzetting en verbeterde stabiliteit in oplaadbare metaalbatterijen van de volgende generatie moeten vergemakkelijken, meldde het laboratorium.