Químicos de la Universidad de Rice han modificado su proceso de calentamiento flash Joule para producir grafeno dopado con propiedades adaptadas para dispositivos ópticos y electrónicos. El método del grafeno flash puede convertir cualquier fuente de carbono en valiosos materiales 2D en milisegundos. Crédito:Jeff Fitlow/Universidad de Rice
La creación de grafeno a partir de desechos fue simplemente un buen comienzo. Ahora los investigadores de la Universidad de Rice lo están personalizando.
El laboratorio de Rice del químico James Tour ha modificado su proceso de calentamiento flash Joule para producir grafeno dopado que adapta las estructuras del material del átomo de espesor y los estados electrónicos para hacerlos más adecuados para nanodispositivos ópticos y electrónicos. El proceso de dopaje agrega otros elementos a la matriz de carbono 2D del grafeno.
El proceso informado en la revista de la American Chemical Society ACS Nano muestra cómo se puede dopar el grafeno con un solo elemento o con pares o tríos de elementos. El proceso se demostró con elementos individuales de boro, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre, una combinación de dos elementos de boro y nitrógeno y una mezcla de tres elementos de boro, nitrógeno y azufre.
El proceso dura alrededor de un segundo, no necesita catalizadores ni disolventes, y depende por completo de "flashear" un polvo que combina los elementos dopantes con negro de humo.
El dopaje del grafeno es posible a través de enfoques ascendentes como la deposición química de vapor o los procesos orgánicos sintéticos, pero estos generalmente producen productos en cantidades mínimas o producen defectos en el grafeno. El proceso Rice es una vía prometedora para producir grandes cantidades de grafeno "dopado con heteroátomos" de forma rápida y sin disolventes, catalizadores ni agua.
Químicos de la Universidad de Rice han creado un proceso de calentamiento Joule instantáneo sin catalizador ni disolvente para fabricar cantidades a granel de grafeno dopado con propiedades personalizadas para nanodispositivos ópticos y electrónicos. Crédito:Tour Lab/Universidad Rice
"Esto abre un nuevo ámbito de posibilidades para el grafeno flash", dijo Tour. "Una vez que aprendimos a hacer el producto original, sabíamos que la capacidad de sintetizar directamente grafeno turboestrático dopado daría lugar a muchas más opciones para productos útiles. Estos nuevos átomos agregados a la matriz de grafeno permitirán que se hagan compuestos más fuertes ya que los nuevos átomos se unen mejor al material huésped, como hormigón, asfalto o plástico. Los átomos añadidos también modificarán las propiedades electrónicas, haciéndolos más adecuados para dispositivos electrónicos y ópticos específicos".
El grafeno es turboestrático cuando las pilas de celosías en forma de panal 2D no se alinean entre sí. Esto facilita la dispersión de las láminas a nanoescala en una solución, lo que produce grafeno soluble que es mucho más sencillo de incorporar a otros materiales, dijo Tour.
Una imagen de microscopio electrónico de transmisión de grafeno flash co-dopado con boro y nitrógeno. Crédito:Weiyin Chen//Universidad de Rice
El laboratorio probó varios grafenos dopados en dos escenarios:reacciones electroquímicas de reducción de oxígeno (ORR) que son clave para dispositivos catalíticos como celdas de combustible, y como parte de un electrodo en baterías de metal de litio que representan la próxima generación de baterías recargables con altas densidades de energía.
El grafeno dopado con azufre demostró ser el mejor para ORR, mientras que el grafeno dopado con nitrógeno demostró ser capaz de reducir el sobrepotencial de nucleación durante la electrodeposición de litio metálico. Eso debería facilitar una deposición más uniforme y una estabilidad mejorada en las baterías de metal recargables de próxima generación, informó el laboratorio. El aprendizaje automático perfecciona el grafeno flash
