Onthulling van de grens op nanoschaal: innoveren met nanoporeuze modelelektroden

Onderzoekers van Tohoku University en Tsinghua University hebben een modelmembraanelektrode van de volgende generatie geïntroduceerd die belooft een revolutie teweeg te brengen in fundamenteel elektrochemisch onderzoek. Deze innovatieve elektrode, gefabriceerd via een nauwgezet proces, toont een geordende reeks holle gigantische koolstofnanobuisjes (gCNT’s) in een nanoporeus membraan, waardoor nieuwe mogelijkheden voor energieopslag en elektrochemische studies worden ontgrendeld.

De belangrijkste doorbraak ligt in de constructie van deze nieuwe elektrode. De onderzoekers ontwikkelden een uniforme koolstofcoatingtechniek op anodische aluminiumoxide (AAO) gevormd op een aluminiumsubstraat, waarbij de barrièrelaag werd verwijderd. De resulterende laag met conform koolstof gecoate laag vertoont verticaal uitgelijnde gCNT’s met nanoporiën variërend van 10 tot 200 nm in diameter en 2 μm tot 90 μm lang, die kleine elektrolytmoleculen bedekken tot biogerelateerde grote zaken zoals enzymen en exosomen.

In tegenstelling tot traditionele composietelektroden, elimineert dit op zichzelf staande modelelektrode contact tussen de deeltjes, waardoor minimale contactweerstand wordt gegarandeerd – iets essentieels voor het interpreteren van het overeenkomstige elektrochemische gedrag.

“Het potentieel van deze modelelektrode is enorm”, verklaarde Dr. Zheng-Ze Pan, een van de overeenkomstige auteurs van de studie, gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen. “Door gebruik te maken van de modelmembraanelektrode met zijn uitgebreide reeks nanoporie-afmetingen, kunnen we diepgaande inzichten verkrijgen in de ingewikkelde elektrochemische processen die plaatsvinden in poreuze koolstofelektroden, samen met hun inherente correlaties met de nanoporie-afmetingen.”

Bovendien zijn de gCNT’s samengesteld uit laag-kristallijne gestapelde grafeenplaten, die ongeëvenaarde toegang bieden tot de elektrische geleidbaarheid binnen laag-kristallijne koolstofwanden. Door middel van experimentele metingen en het gebruik van een intern temperatuurgeprogrammeerd desorptiesysteem, construeerden de onderzoekers een structureel model op atomaire schaal van de laag-kristallijne koolstofwanden, waardoor gedetailleerde theoretische simulaties mogelijk werden.

Dr. Alex Aziz, die het simulatiegedeelte voor dit onderzoek uitvoerde, wijst erop: “Onze geavanceerde simulaties bieden een unieke lens om elektronenovergangen binnen amorfe koolstofatomen te schatten, wat licht werpt op de ingewikkelde mechanismen die hun elektrisch gedrag bepalen.”