Los anillos de siete átomos (en rojo) en la transición del grafeno al nanotubo hacen que un nuevo material híbrido de la Universidad de Rice sea un conductor sin costuras. El híbrido puede ser el mejor material de interfaz de electrodo posible para muchas aplicaciones electrónicas y de almacenamiento de energía. Crédito:Tour Group / Rice University
(Phys.org) —Un híbrido de grafeno / nanotubo sin costuras creado en la Universidad de Rice puede ser el mejor material de interfaz de electrodo posible para muchas aplicaciones de almacenamiento de energía y electrónica.
Dirigido por el químico de Rice James Tour, Los investigadores han cultivado con éxito bosques de nanotubos de carbono que se elevan rápidamente desde láminas de grafeno hasta asombrosas longitudes de hasta 120 micrones. según un artículo publicado hoy por Comunicaciones de la naturaleza . Una casa en una parcela promedio con la misma relación de aspecto se elevaría al espacio.
Eso se traduce en una enorme cantidad de superficie, el factor clave para fabricar cosas como supercondensadores de almacenamiento de energía.
El híbrido de Rice combina grafeno bidimensional, que es una hoja de carbono de un átomo de espesor, y nanotubos en una estructura tridimensional sin costuras. Los lazos entre ellos son covalentes, lo que significa que los átomos de carbono adyacentes comparten electrones en una configuración muy estable. Los nanotubos no están simplemente sobre la hoja de grafeno; se vuelven parte de ella.
Los bosques de nanotubos cultivados directamente a partir de grafeno en la Universidad de Rice son un material híbrido con una superficie enorme. posiblemente el mejor material para supercondensadores y otras aplicaciones eléctricas. Los anillos de siete miembros en la base (en rojo) hacen posible la transición perfecta del grafeno al nanotubo. Crédito:Tour Group / Rice University
"Mucha gente ha intentado unir nanotubos a un electrodo de metal y nunca ha ido muy bien porque tienen una pequeña barrera electrónica en la interfaz, ", Dijo Tour." Al cultivar grafeno sobre metal (en este caso cobre) y luego cultivar nanotubos a partir del grafeno, el contacto eléctrico entre los nanotubos y el electrodo metálico es óhmico. Eso significa que los electrones no ven diferencia, porque es todo un material sin costuras.
"Esto nos da, efectivamente, una superficie muy alta de más de 2, 000 metros cuadrados por gramo de material. Es un número enorme "dijo Tour, T.T. y W.F. de Rice Cátedra Chao de Química, así como profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y de informática y coautor con el ex investigador postdoctoral y autor principal Yu Zhu, ahora es profesor asistente en la Universidad de Akron.
Los nanotubos se cultivan a partir de grafeno en un proceso desarrollado en la Universidad de Rice para crear odako a nanoescala, llamado así por las cometas gigantes japonesas a las que se asemejan. El material puede ser el mejor posible para aplicaciones eléctricas como supercondensadores. Crédito:Tour Group / Rice University
Tour dijo que la prueba de la naturaleza híbrida del material se encuentra en los anillos de siete miembros en la transición del grafeno al nanotubo. una estructura predicha por la teoría para tal material y ahora confirmada a través de imágenes de microscopio electrónico con resolución subnanométrica.
El carbono no tiene igual como material conductor en una forma tan delgada y robusta, especialmente en forma de grafeno o ciertos tipos de nanotubos. La combinación de los dos parece ofrecer un gran potencial para componentes electrónicos como supercondensadores rápidos que, debido a la superficie masiva, puede contener una gran cantidad de energía en un paquete pequeño.
Un bosque de nanotubos cada uno solo unos pocos nanómetros de ancho, crece a partir de una hoja de grafeno sobre cobre. El material híbrido creado en la Universidad de Rice tiene una superficie de más de 2, 000 metros cuadrados por gramo. Crédito:Tour Group / Rice University
El químico de Rice Robert Hauge y su equipo dieron los primeros pasos hacia un híbrido de este tipo durante la última década. Hauge, un distinguido miembro de la facultad de química en Rice y coautor del nuevo trabajo, descubrió una manera de fabricar alfombras de nanotubos densamente empaquetadas sobre un sustrato de carbono mediante la suspensión de escamas con catalizador en un horno. Cuando se calienta, el catalizador construyó nanotubos de carbono como rascacielos, comenzando en el sustrato y subiendo. En el proceso, levantaron el tampón de óxido de aluminio en el aire. Todo parecía una cometa con muchas cuerdas y fue apodado un odako, como las cometas gigantes japonesas.
En el nuevo trabajo el equipo cultivó un odako especializado que retuvo el catalizador de hierro y el tampón de óxido de aluminio, pero los puso encima de una capa de grafeno cultivado por separado sobre un sustrato de cobre. El cobre se mantuvo para servir como un excelente colector de corriente para los híbridos tridimensionales que se cultivaron en minutos a longitudes controlables de hasta 120 micrones.
Una meseta de nanotubos que se cultivan a la perfección a partir del grafeno en la Universidad de Rice. El material híbrido puede ser el más eficiente jamás fabricado para supercondensadores. Crédito:Tour Group / Rice University
Las imágenes de microscopio electrónico mostraron el uno-, nanotubos de dos y tres paredes firmemente incrustados en el grafeno, y las pruebas eléctricas no mostraron resistencia al flujo de corriente en la unión.
"El rendimiento que vemos en este estudio es tan bueno como el de los mejores supercondensadores basados en carbono que jamás se hayan fabricado, ", Dijo Tour." No somos realmente un laboratorio de supercondensadores, y aun así pudimos igualar el rendimiento debido a la calidad del electrodo. Es realmente notable y todo se remonta a esa interfaz única ".
