Een internationaal team van wetenschappers heeft wat misschien wel het eerste eenstapsproces is ontwikkeld voor het maken van naadloze op koolstof gebaseerde nanomaterialen met superieure thermische, elektrische en mechanische eigenschappen in drie dimensies.

Het onderzoek biedt mogelijkheden voor meer energieopslag in zeer efficiënte batterijen en supercondensatoren, het verhogen van de efficiëntie van energieconversie in zonnecellen, voor lichtgewicht thermische coatings en meer. De studie is vandaag gepubliceerd in het online tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Bij vroege testen, een driedimensionale (3D) vezelachtige supercondensator gemaakt met de ononderbroken vezels van koolstofnanobuisjes en grafeen die met een factor vier overeenkomt of beter is dan de gerapporteerde recordhoge capaciteiten voor dit type apparaat.

Gebruikt als tegenelektrode in een kleurstofgevoelige zonnecel, het materiaal stelde de cel in staat om stroom om te zetten met een efficiëntie tot 6,8 procent en verdubbelde meer dan de prestaties van een identieke cel die in plaats daarvan een dure platinadraad-tegenelektrode gebruikte.

Koolstofnanobuizen kunnen zeer geleidend zijn langs de 1D-nanobuislengte en tweedimensionale grafeenvellen in het 2D-vlak. Maar de materialen schieten tekort in een driedimensionale wereld vanwege de slechte geleidbaarheid tussen de lagen, net als tweestapsprocessen waarbij nanobuisjes en grafeen in drie dimensies worden samengevoegd.

"Tweestapsprocessen die ons lab en anderen eerder hebben ontwikkeld, missen een naadloze interface en, daarom, de gezochte geleiding missen, " zei Liming Dai, de Kent Hale Smith hoogleraar macromoleculaire wetenschap en techniek aan de Case Western Reserve University en een leider van het onderzoek.

"In ons eenstapsproces de interface is gemaakt met koolstof-tot-koolstofbinding, zodat het lijkt alsof het een enkele grafeenplaat is, ' zei Dai. 'Dat maakt het een uitstekende thermische en elektrische geleider in alle vliegtuigen.'

Dai heeft bijna vier jaar met Zhong Lin Wang gewerkt, de Hightower-leerstoel in Materials Science and Engineering, en Yong Ding, een senior onderzoeker, aan het Georgia Institute of Technology; en Zhenhai Xia, hoogleraar materiaalkunde en techniek, aan de Universiteit van Noord-Texas; Ajit Roy, belangrijkste materiaalonderzoeksingenieur in het Directoraat Materialen en Productie, Luchtmacht onderzoekslaboratorium, Dayton; en anderen op een U.S. Department of Defense-Multidisciplinair University Research Initiative (MURI) programma (Joycelyn Harrison, Programma manager). Er werd ook nauw samengewerkt met Yuhua Xue, de Research Associate bij CWRU en gastwetenschapper van het Institute of Advanced Materials for Nano-Bio Applications, School voor Oogheelkunde &Optometrie, Wenzhou medische universiteit, samen met Jia Qu en Hao Chen, professoren aan de Wenzhou Medical University.

Om het 3D-materiaal te maken, de onderzoekers etsten radiaal uitgelijnde nanogaatjes langs de lengte en omtrek van een kleine aluminiumdraad, gebruikte vervolgens chemische dampafzetting om het oppervlak te bedekken met grafeen zonder gebruik te maken van een metaalkatalysator die in de structuur zou kunnen blijven.

"Radiaal uitgelijnde nanobuizen groeien in de gaten. Het grafeen dat de draad en nanobuisarrays omhult, is covalent gebonden, het vormen van zuivere koolstof-naar-koolstof knooppunten die thermische en elektrische weerstand minimaliseren, ' zei Wang.

De architectuur levert een enorm oppervlak op, toevoegen aan de transporteigenschappen, zeggen de onderzoekers. Met behulp van de Brunauer, Emmett en Teller-theorie, ze berekenen het oppervlak van deze architectuur op bijna 527 vierkante meter per gram materiaal.

Testen toonden aan dat het materiaal een ideale elektrode is voor zeer efficiënte energieopslag. Capaciteit per gebied bereikte zo hoog als 89,4 millifarad per vierkante centimeter en lengte, tot 23,9 millifarad per centimeter in de vezelachtige supercondensator.

De eigenschappen kunnen worden aangepast. Met het eenstapsproces, het materiaal kan erg lang worden gemaakt, of in een buis met een grotere of kleinere diameter, en de dichtheid van nanobuisjes kan worden gevarieerd om materialen te produceren met verschillende eigenschappen voor verschillende behoeften.

Het materiaal kan worden gebruikt voor ladingsopslag in condensatoren en batterijen of het grote oppervlak kan opslag van waterstof mogelijk maken. "De eigenschappen kunnen worden gebruikt voor een nog grotere verscheidenheid aan toepassingen, inclusief gevoelige sensoren, draagbare elektronica, thermisch beheer en multifunctionele ruimtevaartsystemen", zei Roy.

De wetenschappers blijven de eigenschappen onderzoeken die kunnen worden afgeleid van deze enkele 3D-grafeenlaagvezels en ontwikkelen een proces voor het maken van meerlaagse vezels.