Wetenschappers synthetiseren 3D-grafeenfilms met hoogenergetische E-straal

Onlangs heeft de onderzoeksgroep van prof. Wang Zhenyang van de Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) van de Chinese Academy of Sciences (CAS) macroscopische dikke driedimensionale (3D) poreuze grafeenfilms gemaakt.

Met behulp van een hoogenergetische elektronenstraal als energiebron en gebruikmakend van de hoge kinetische energie en lage reflectiekenmerken van e-beam, induceerden de onderzoekers polyimide-precursor direct in een 3D-poreuze grafeenkristalfilm met een dikte tot 0,66 mm. Gerelateerde onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof.

Grafeen heeft bewezen een nieuw strategisch materiaal te zijn vanwege zijn talrijke uitzonderlijke chemische en fysische eigenschappen. Het integreren van een dimensionaal (3D) poreus grafeennetwerk kan het opnieuw stapelen van grafeenvellen voorkomen en maakt gemakkelijke toegang en diffusie van ionen mogelijk. Efficiënte synthese van macroscopische dikke 3D poreuze grafeenfilms is echter nog steeds een uitdaging.

De hoge momentane energie van een laser kan de directe carbonisatie van de koolstofbevattende matrix induceren om grafeen van hoge kristallijne kwaliteit te vormen. Maar de penetratiediepte van de laser in de koolstofhoudende matrix is ​​vrij laag, wat resulteert in onvoldoende dikte van de voorbereide grafeenfilm, wat de toepassing ervan in werkelijke apparaten beperkt. Daarom is het onderzoeken van een effectievere energiebron een belangrijk probleem dat dringend moet worden opgelost voor de industriële toepassing van door hoogenergetische bundelgeïnduceerde grafeen.

In dit onderzoek gebruikten de onderzoekers een hoogenergetische e-beam als nieuwe energiebron om een ​​efficiënte voorbereiding van macroscopische dikke 3D poreuze grafeenkristalfilms op de polyimide-precursor te realiseren.

Vergeleken met lasers hebben hoogenergetische e-beams veel voordelen, waaronder nulreflectie, hoge kinetische energie, injectie-effect en eenvoudige focuscontrole, waardoor de e-beam een ​​betere energiebron is om snel carbonisatie van polyimide-precursoren te induceren om grafeen te produceren.

Waterstof, zuurstof en enkele andere componenten in polyimide kunnen snel ontsnappen in de vorm van gas, wat resulteert in een overvloedige 3D-poriënstructuur van grafeen.

Deze studie toont aan dat de dikte van e-beam-geïnduceerde grafeen (EIG) film zo hoog is als 0,66 mm, en de synthesesnelheid is 84 cm²/min, wat aanzienlijk groter is dan die van een laser. Bovendien is EIG met succes toegepast op het gebied van supercondensatorelektroden, wat een uitstekende elektrochemische opslagcapaciteit vertoont.

Met prominente fotothermische prestaties kan EIG ook worden toegepast op het gebied van fotothermische anti-ijsvorming en ontijzing door zonne-energie. De temperaturen kunnen -40 °C zijn, wat als ultralaag wordt beschouwd.