Углеродный наноматериал проводит ток в трех измерениях

Углеродные нанотрубки могут обеспечивать высокую электропроводность в одном измерении, а графен — в двух. Но добиться этого в третьем измерении до сих пор не удавалось из-за плохой проводимости между слоями.

Как сообщается в журнале Science Advances 4 сентября, найти выход удалось в лаборатории Западного резервного университета Кейза (штат Огайо), где был разработан одноэтапный процесс сплавления нанотрубок с графеном.

«Двухшаговые процессы, разработанные ранее в нашей и других лабораториях, не дают бесшовного интерфейса, а значит, и требуемой проводимости, — заявляет профессор макромолекулярной науки и технологий Лимин Дай (Liming Dai). — Интерфейс, создаваемый нашим одношаговым процессом, образован из углерод-углеродных связей, и (наноматериал) выглядит как цельная графеновая пластина. Это делает его отличным проводником тепла и электричества во всех плоскостях».

Для того, чтобы изготовить такой 3D-материал, исследователи проделали радиально упорядоченную систему наноотверстий по длине и окружности микроскопического алюминиевого провода, а затем, применив химическое осаждение из газовой фазы, покрыли поверхность графеном без использования металлического катализатора, который бы оставался в итоговой структуре. В дырках росли нанотрубки, которые создавали с графеном ковалентные соединения, формируя чистые межузловые углерод-углеродные связи с минимальным термическим и электрическим сопротивлением.

Дополнительным преимуществом этой архитектуры является огромная площадь поверхности: теоретические оценки дают значение 527 м² на грамм материала. Это позволяет рассматривать «трехмерный графен» как высокоэффективный электродный материал. Тесты показали, что удельная емкость такого электрода достигает 89,4 миллифарад на квадратный сантиметр площади или 23,9 миллифарад на сантиметр длины (в волоконном суперконденсаторе).

Исключительные свойства нового материала могут найти применение не только в батареях или суперконденсаторах, но и в высокочувствительных датчиках, носимой электронике, управлении теплоотводом и в многофукциональных аэрокосмических системах. При использовании в качестве противоэлектрода в солнечных элементах на сенсибилизированных красителях, этот материал увеличивает эффективность преобразования энергии до 6,8%, более чем удваивая ее по сравнению с кпд идентичного элемента с дорогостоящим электродом из платиновой проволоки.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365