Ученые из Университета Райса превратили древесину в электрический проводник, создав на ее поверхности графеновый слой.

Химик Джеймс Тур и его коллеги использовали лазер, чтобы «вычернить» кусок сосны и получить тонкое покрытие на ней. Полученное покрытие представляет собой лазерный графен (англ. laser-induced graphene, LIG), представляющий собой углеродный материал атомной толщины, обнаруженный в Райсе в 2014 году.

 

 

Этот логотип выполнен из лазерного графена на блоке из сосны в Райс-Университете. Ученые из использовали промышленный лазер для нагрева древесины и превратили ее поверхность в высокопроводящий графен. Материал может использоваться для биоразлагаемой электроники.

Предоставлено Tour Group

 

«Это объединение традиционных материалов с новейшим наноматериалом в единую композитную структуру», - сказал Тур.

Разработка подробно описана в статье в Advanced Materials.

Предыдущие итерации LIG проводили путем нагревания поверхности листа полиимида, недорогого пластика, с помощью лазера. Вместо плоского листа гексагональных атомов углерода, LIG представляет собой пену из графеновых пластин с одним краем, прикрепленным к подстилающей поверхности, и химически активными краями, открытыми для воздуха.

 

 

Изображения сканирующего электронного микроскопа показывают обычную структуру сосны слева и лазерный графен на сосне (P-LIG), произведенный в Университете Райса, справа. Шкала составляет около 500 микрометров.

Предоставлено Tour Group

 

Некоторая древесина предпочтительнее других для создания LIG, сказал Тур.  Исследователи пытались использовать березу и дуб, но обнаружили, что скрещенная лигноцеллюлозная структура сосны подходит лучше для производства высококачественного графена, чем древесина с более низким содержанием лигнина. Лигнин представляет собой сложный органический полимер, который образует жесткие клеточные стенки в древесине.

Исследователи считают, что превращение дерева в графен открывает новые возможности для синтеза LIG из неполимидных материалов. «Для некоторых приложений, таких как трехмерная печать графена, полиимид не является идеальным субстратом», - сказали они. - «Кроме того, древесина – имеющийся в изобилии и возобновляемый ресурс».

Как и в случае с полиимидом, процесс протекает со стандартным промышленным лазером при комнатной температуре и атмосферном давлении, в атмосфере инертного аргона или водорода. Без кислорода тепло от лазера не сжигает сосну, а превращает поверхность в морщинистые хлопья графеновой пены, привязанные к поверхности дерева.

 

На видео показаны две пластины из лазерного графена на сосне, синтезированные в в Университете Райса. Пузырьками от электрода слева являются водород, а справа - кислород.

Предоставлено Tour Group

 

Изменение мощности лазера также изменило химический состав и термическую стабильность полученного LIG. При мощности 70 процентов лазер создавал материал («P-LIG», где P обозначает «сосну») самого высокого качества.

 

 

Поперечное сечение полученного графена на поверхности сосны P-LIG. Слой графена имеет глубину около 800 микрометров.

Предоставлено Tour Group

 

Лаборатория также продвинулась в своем исследовании еще на один шаг, превратив P-LIG в электроды для разделения воды на водород и кислород, а также в суперконденсаторы для хранения энергии. Для первого применения они осаждали слои кобальта и фосфора, никеля и железа на P-LIG, чтобы создать пару электрокатализаторов с высокой площадью поверхности, которые оказались долговечными и эффективными.

Нанесение слоя полианилина на P-LIG превратило его в суперконденсатор, сохраняющий энергию, который имел приемлемые показатели производительности.

«Есть и дальнейшее поле для исследований», - сказали исследователи. - «Например, мы могли бы использовать P-LIG для интеграции солнечной энергии для фотосинтеза. Мы полагаем, что это открытие вдохновит ученых на большее использование природных ресурсов, которые окружают нас, в улучшенные материалы».

Также существует и непосредственная экологическая польза от биоразлагаемой электроники. «Графен - это тонкий лист природного минерала, графита, поэтому никакого вреда природе при утилизации он не нанесет, в отличии от полигона, полного деталей электроники».

Источник: Ruquan Ye, Yieu Chyan, Jibo Zhang, Yilun Li, Xiao Han, Carter Kittrell, James M. Tour. Laser-Induced Graphene Formation on Wood. Advanced Materials, 2017; 1702211 DOI: 10.1002/adma.201702211

 

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта