(Phys.org)—Onderzoekers hebben elektroden in het nanoregime gebracht door het eerste 2D-elektrodemateriaal te synthetiseren. Elektroden zijn ionische verbindingen, die zijn gemaakt van negatieve en positieve ionen. Maar bij elektroden, de negatieve "ionen" zijn gewoon elektronen, zonder kern. De elektronen zijn zeer dicht bij elkaar en zeer losjes gebonden, waardoor ze werken als een elektronengas. Dit elektronengas geeft elektroden bepaalde elektrische eigenschappen, zoals een hoge elektrische mobiliteit en snel elektrisch vervoer, die zeer aantrekkelijk zijn voor elektronische toepassingen.

De onderzoekers, geleid door Scott C. Warren, een assistent-professor toegepaste natuurwetenschappen en scheikunde aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill, hebben een paper gepubliceerd over de demonstratie van de 2D-electrode in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Gelaagde elektroden hebben zeer opwindende elektronische eigenschappen, bijvoorbeeld een geleidbaarheid die veel groter is dan die van grafeen, "Warren vertelde" Phys.org . "In de kristalstructuur van een gelaagde elektrode, een wolk van elektronen wordt uitgespreid in een vlak twee-angstrom dik vlak tussen platen van atomen. De elektronen kunnen door die platte wolk geleiden met weinig interactie met nabijgelegen atomen, waardoor ze heel snel kunnen bewegen."

In hun studie hebben toonden de onderzoekers aan dat de bepalende kenmerken van elektroden, in het bijzonder het elektronengas en zijn eigenschappen blijven behouden wanneer een gelaagde elektrode genaamd dicalciumnitride (Ca ₂ N) wordt gesynthetiseerd in tweedimensionale, eenlaagse vorm. Het werk markeert de eerste synthese van een 2D-electrode.

"We hebben een paar lagen van het kristal geïsoleerd, misschien zo dun als een nanometer tot enkele nanometers, " zei Warren. "Vanwege zijn dunheid, dit materiaal wordt een 2D-materiaal genoemd, zoals grafeen. Er was voorspeld dat een elektrode als 2D-materiaal stabiel zou zijn in vacuüm en zijn opwindende elektronische eigenschappen zou behouden door theoretische berekeningen, maar het materiaal is erg reactief en het was een open vraag of 2D Ca ₂ N kan worden gemaakt in een laboratoriumomgeving. We toonden aan dat in de juiste chemische omgeving, het materiaal is langdurig stabiel zonder afbreuk te doen aan de opwindende elektronische eigenschappen."

Zoals de onderzoekers uitlegden, het scheiden van het meerlagige elektroden in zijn afzonderlijke lagen was een uitdaging, omdat elektroden sterke elektrostatische interacties hebben die hun lagen bij elkaar houden. Elektroden hebben ook een hoge chemische reactiviteit die de zaken nog ingewikkelder maakt, het gebruik van de "Scotch-tape-methode" voor afschilfering te voorkomen, aangezien elektroden ontleden wanneer ze in contact komen met bepaalde kleefstoffen.

In plaats daarvan, de onderzoekers gebruikten vloeibare exfoliatie, die chemische reacties gebruikt om grote aantallen nanosheets te produceren die in oplossing zijn gesuspendeerd. Na het testen van 30 oplosmiddelen, vonden de onderzoekers één oplosmiddel waarin de Ca ₂ N nanosheets blijven minimaal een maand in een stabiele suspensie.

Tests toonden aan dat de 2D-electrode-nanobladen een hoge elektrische geleidbaarheid hebben die vergelijkbaar is met aluminiummetaal, hoge transparantie (een 10 nm dikke film laat 97% van het licht door), en - vanwege de 2D-vorm - het hoogste oppervlak voor alle tot nu toe gerapporteerde elektroden. Door het hoge oppervlak van 2D-materialen te combineren met de ongebruikelijke elektrische eigenschappen van elektroden, de onderzoekers verwachten dat de 2D-electrode in de toekomst tot veel meer ontdekkingen zal leiden. Mogelijke toepassingen zijn onder meer transparante geleiders, batterij elektroden, elektronen emitters, en katalysatoren voor chemische synthese.

"De potentiële toepassing die ons het meest opwindt, is in geavanceerde batterijen, dat is de focus van onze huidige samenwerking met het Honda Research Institute, " zei Warren. "Er zijn ook andere opwindende potentiële toepassingen, bijvoorbeeld als transparante geleidende films. Vanuit een academisch perspectief, dit werk opent synthetische routes om 2D-electroden experimenteel te bestuderen en om potentiële toepassingen te testen die we nog niet eens hebben overwogen."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de mogelijke toepassingen van elektroden verder te onderzoeken en de praktische uitdagingen aan te gaan om ze te realiseren.

"We moeten nog veel leren over elektroden als 2D-materialen, " zei Warren. "Bijvoorbeeld, hoe kunnen we het oppervlak coaten of functionaliseren om elektroden stabiel in de lucht te maken?"

© 2017 Fys.org