Международная группа ученых разработала материал, который может стать первым шагом для изготовления бесшовных углеродных наноматериалов, обладающих превосходными термическими, электрическими и механическими свойствами в трех измерениях.
Эти наноматериалы могут быть использованы для увеличения параметров хранения энергии в больших батареях и эффективных суперконденсаторах, для повышения эффективности преобразования энергии в солнечных элементах и разработки новых легких теплозащитных покрытий. Они описаны в статье в журнале Science Advances.
Углеродные нанотрубки могут обладать высокой электропроводностью вдоль своей длины, а лист углерода атомной толщины, известный как графен, имеет высокую электропроводность в двух измерениях. Но эта высокая электропроводность исчезает, когда эти углеродные наноматериалы масштабируются до третьего измерения. Это потому, что имеющиеся двухступенчатые процессы для укладки углеродных нанотрубок и графеновых листов друг на друга производят трехмерные (3D) материалы, которые обладают плохой электропроводностью между различными слоями.
В описываемой работе при одностадийном процессе граница раздела представляет собой связи углерод-углерод и выглядит, как лист графена. Это делает материал отличным проводником тепла и электричества во всех плоскостях.
Чтобы сделать 3D-материал исследователи травили радиально выровненные наноотверстия по длине и окружности крошечного алюминиевого провода и использовали химическое осаждение для покрытия поверхности углеродом. Это было сделано без металлического катализатора, который может оставаться в структуре.
Принцип создания материала с минимальными значениями теплового и электрического сопротивления заключается в том, что радиально-ориентированные нанотрубки образуются в отверстиях, а затем образуют ковалентные связи углерод-углерод с графеном, покрывающим провод.
Эта архитектура дает огромную площадь поверхности. Ученые подсчитали, что площадь поверхности такой архитектуры почти 527 м2 на грамм материала.
(А) Алюминиевая проволока. (В) Поверхности анодированного алюминиевого провода. (С) 3D-структура графен-радиальные нанотрубки на проволоке. (D) Схематическое представление 3D-структуры графен-радиальные нанотрубки.
Свойства этих 3D-материалов можно легко изменять. Материал может быть сделан очень длинным или более широкого или узкого диаметра, а плотность нанотрубок можно варьировать для получения материалов с различными свойствами в зависимости от требований.
В качестве демонстрации возможностей применения нового материала емкость 3D-суперконденсаторов, изготовленных из него, получилась в четыре раза выше в сравнении с типичными показателями для этого типа устройств. При использовании в качестве электрода в солнечных элементах была достигнута двойная эффективность в сравнении с идентичной ячейкой с платиновым электродом.
Ученые продолжают исследовать свойства таких 3D-волокон и также ищут способ получения многослойных волокон.
Источник: Yuhua Xue, Yong Ding, Jianbing Niu,Zhenhai Xia, Ajit Roy, Hao Chen, Jia Qu, Zhong Lin Wang,Liming Dai. Rationally designed graphene-nanotube 3D architectures with a seamless nodal junction for efficient energy conversion and storage. Science Advances, 2015; dx.doi.org/10.1126/sciadv.1400198