Het met een draaiing op elkaar stapelen van drie lagen grafeen versnelt elektrochemische reacties

Drielaags is mogelijk beter dan tweelaags voor de productie, waardoor de snelheid en capaciteit van elektrochemische en elektrokatalytische apparaten worden verbeterd.

Drie lagen grafeen, in een gedraaide stapel, profiteren van een vergelijkbare hoge geleidbaarheid als dubbellaags grafeen in de ‘magische hoek’, maar met eenvoudiger productie en snellere elektronenoverdracht. De bevinding zou kunnen verbeteren nano-elektrochemische apparaten of elektrokatalysatoren om energieopslag of -conversie te bevorderen.

Grafeen – een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster – heeft unieke eigenschappen, waaronder een groot oppervlak, uitstekende elektrische geleidbaarheid, mechanische sterkte en flexibiliteit, die dit 2D-materiaal tot een sterke kandidaat maken voor het vergroten van de snelheid en capaciteit van energieopslag.

Door twee vellen grafeen in een hoek van 1,1° te draaien, ook wel de ‘magische hoek’ genoemd, ontstaat een ‘platte band’-structuur, wat betekent dat de elektronen over een reeks momentumwaarden allemaal ongeveer dezelfde energie hebben. Hierdoor is er een enorme piek in de toestandsdichtheid, of de beschikbare energieniveaus die elektronen kunnen innemen, op het energieniveau van de platte band, wat de elektrische geleiding verbetert.

Recent werk experimenteel bevestigd deze platte banden kunnen worden gebruikt om de ladingsoverdrachtsreactiviteit van gedraaid dubbellaags grafeen te vergroten wanneer ze worden gecombineerd met een geschikt redoxkoppel – een gepaarde reeks chemicaliën die vaak worden gebruikt bij energieopslag om elektronen tussen batterijelektroden te transporteren.

Het toevoegen van een extra laag grafeen om gedraaid drielaags grafeen te maken, leverde een snellere elektronenoverdracht op vergeleken met dubbellaags grafeen, volgens een elektrochemisch activiteitsmodel in een recent onderzoek door onderzoekers van de Universiteit van Michigan.

“We hebben zeer flexibele en verbeterde ladingsoverdrachtsreactiviteit ontdekt in gedraaid drielaags grafeen, die niet beperkt is tot specifieke draaihoeken of redoxkoppels”, zegt Venkat Viswanathan, universitair hoofddocent lucht- en ruimtevaarttechniek en corresponderend auteur van het onderzoek. gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society.

Het stapelen van drie lagen grafeen introduceerde een extra draaihoek, waardoor ‘onevenredig’ ontstond, dat wil zeggen niet-herhalende patronen, bij kleine draaiingen – in tegenstelling tot dubbellaags grafeen dat zich herhalende patronen vormt. Bij het toevoegen van een derde laag zijn de zeshoekige roosters in wezen niet perfect uitgelijnd.

Bij kamertemperatuur hebben deze niet-herhalende patronen een groter bereik aan hoeken met een hoge toestandsdichtheid weg van de platte banden, waardoor de elektrische geleidbaarheid toeneemt die vergelijkbaar is met die voorspeld bij de magische hoek.

“Deze ontdekking maakt de fabricage eenvoudiger en vermijdt de uitdaging om de precieze draaihoek te garanderen die dubbellaags grafeen vereist”, zegt Mohammad Babar, een doctoraalstudent mechanische en ruimtevaarttechniek en eerste auteur van het onderzoek.

Als volgende stap zijn de onderzoekers van plan deze bevindingen in experimenten te verifiëren en mogelijk een nog hogere activiteit te ontdekken in meerlaags gedraaide 2D-materialen voor een breed scala aan elektrochemische processen zoals redoxreacties en elektrokatalyse.

“Ons werk opent een nieuw veld van kinetiek in 2D-materialen, waarbij de elektrochemische handtekeningen van evenredige en niet-vergelijkbare structuren worden vastgelegd. We kunnen nu de optimale balans van ladingsoverdrachtsreactiviteit in drielaags grafeen identificeren voor een bepaald redoxpaar”, aldus Babar.