(Phys.org)—Een naadloze grafeen/nanobuis-hybride, gemaakt aan de Rice University, is misschien wel het best mogelijke elektrode-interfacemateriaal voor veel energieopslag- en elektronicatoepassingen.

Onder leiding van rijstchemicus James Tour, onderzoekers hebben met succes bossen van koolstofnanobuisjes gekweekt die snel opstijgen van vellen grafeen tot verbazingwekkende lengtes tot 120 micron, volgens een artikel dat vandaag is gepubliceerd door Natuurcommunicatie . Een huis op een gemiddeld perceel met dezelfde beeldverhouding zou in de ruimte stijgen.

Dat vertaalt zich in een enorme hoeveelheid oppervlakte, de belangrijkste factor bij het maken van dingen als supercondensatoren die energie opslaan.

De rijsthybride combineert tweedimensionaal grafeen, dat is een vel koolstof van één atoom dik, en nanobuisjes tot een naadloze driedimensionale structuur. De bindingen tussen hen zijn covalent, wat betekent dat aangrenzende koolstofatomen elektronen delen in een zeer stabiele configuratie. De nanobuisjes zitten niet alleen op de grafeenplaat; ze worden er onderdeel van.

"Veel mensen hebben geprobeerd nanobuisjes aan een metalen elektrode te bevestigen en het is nooit zo goed gegaan omdat ze een kleine elektronische barrière krijgen bij de interface, Tour zei. "Door grafeen op metaal (in dit geval koper) te laten groeien en vervolgens nanobuisjes uit grafeen te laten groeien, het elektrisch contact tussen de nanobuisjes en de metalen elektrode is ohms. Dat betekent dat elektronen geen verschil zien, omdat het allemaal één naadloos materiaal is.

"Dit geeft ons, effectief, een zeer groot oppervlak van meer dan 2, 000 vierkante meter per gram materiaal. Het is een enorm aantal, " zei Toer, Rice's TT en W.F. Chao Chair in Chemistry en hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en informatica en co-auteur met voormalig postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur Yu Zhu, nu een assistent-professor aan de Universiteit van Akron.

Tour zei dat het bewijs van de hybride aard van het materiaal ligt in de zevenledige ringen bij de overgang van grafeen naar nanobuis, een door de theorie voorspelde structuur voor een dergelijk materiaal en nu bevestigd door middel van elektronenmicroscoopbeelden met subnanometerresolutie.

Carbon heeft geen gelijke als geleidend materiaal in zo'n dunne en robuuste vorm, vooral in de vorm van grafeen of bepaalde soorten nanobuisjes. De combinatie van de twee lijkt een groot potentieel te bieden voor elektronische componenten zoals snelle supercondensatoren die, vanwege het enorme oppervlak, kan veel energie bevatten in een klein pakketje.

Rijstchemicus Robert Hauge en zijn team hebben het afgelopen decennium de eerste stappen in de richting van zo'n hybride gezet. Hauge, een vooraanstaande faculteitsgenoot in chemie bij Rice en co-auteur van het nieuwe werk, ontdekte een manier om dicht opeengepakte tapijten van nanobuisjes op een koolstofsubstraat te maken door katalysator-geregen vlokken in een oven te suspenderen. Bij verhitting, de katalysator bouwde koolstofnanobuizen zoals wolkenkrabbers, beginnend bij het substraat en zich omhoog werkend. In het proces, ze tilden de aluminiumoxidebuffer de lucht in. Het geheel zag eruit als een vlieger met veel snaren en werd een odako genoemd, zoals de gigantische Japanse vliegers.

In het nieuwe werk het team groeide een gespecialiseerde odako die de ijzerkatalysator en aluminiumoxidebuffer behield, maar plaatste ze bovenop een laag grafeen die afzonderlijk op een kopersubstraat was gegroeid. Het koper bleef dienen als een uitstekende stroomafnemer voor de driedimensionale hybriden die binnen enkele minuten werden gekweekt tot regelbare lengtes tot 120 micron.

Elektronenmicroscoopbeelden toonden de een-, twee- en driewandige nanobuisjes stevig ingebed in het grafeen, en elektrische testen toonden geen weerstand tegen de stroomstroom op de kruising.

"De prestaties die we in deze studie zien, zijn net zo goed als de beste op koolstof gebaseerde supercondensatoren die ooit zijn gemaakt, " zei Tour. "We zijn niet echt een supercondensatorlab, en toch konden we de prestaties evenaren vanwege de kwaliteit van de elektrode. Het is echt opmerkelijk, en het grijpt allemaal terug naar die unieke interface."