Создание графена из отходов было просто хорошим началом. Теперь исследователи из Университета Райса настраивают его.
Лаборатория химика Джеймса Тура в Райсе модифицировала процесс мгновенного джоулевого нагрева для производства легированного графена, который адаптирует структуры материала атомной толщины и электронные состояния, чтобы сделать их более подходящими для оптических и электронных наноустройств. Процесс легирования добавляет другие элементы в двумерную углеродную матрицу графена.
Процесс, описанный в журнале Американского химического общества ACS Nano , показывает, как можно легировать графен одним элементом, парами или тройками элементов. Процесс был продемонстрирован с использованием отдельных элементов бора, азота, кислорода, фосфора и серы, двухэлементной комбинации бора и азота и трехэлементной смеси бора, азота и серы.
Процесс занимает около одной секунды, не требует катализатора и растворителя и полностью зависит от «вскипания» порошка, который сочетает легирующие элементы с сажей.
Легирование графена возможно с помощью восходящих подходов, таких как химическое осаждение из паровой фазы или синтетические органические процессы, но они обычно дают продукты в следовых количествах или создают дефекты в графене. Процесс Райса — многообещающий способ быстрого производства больших количеств графена, легированного гетероатомами, без использования растворителей, катализаторов или воды.
«Это открывает новые возможности для флэш-графена», — сказал Тур. «Как только мы научились делать исходный продукт, мы поняли, что возможность прямого синтеза легированного турбостратного графена приведет к появлению многих других вариантов полезных продуктов. Эти новые атомы, добавленные в графеновую матрицу, позволят создавать более прочные композиты, поскольку новые атомы будут лучше связываются с материалом-хозяином, таким как бетон, асфальт или пластик. Добавленные атомы также изменяют электронные свойства , делая их более подходящими для конкретных электронных и оптических устройств».
Графен является турбостратным, когда стопки двумерных сотовых решеток не совпадают друг с другом. По словам Тура, это облегчает диспергирование наноразмерных листов в растворе, производя растворимый графен, который гораздо проще включить в другие материалы.
Лаборатория протестировала различные легированные графены в двух сценариях: реакции электрохимического восстановления кислорода (ORR), которые являются ключевыми для каталитических устройств, таких как топливные элементы, и как часть электрода в литий-металлических батареях , представляющих следующее поколение перезаряжаемых батарей с высокой плотностью энергии.
Графен, легированный серой, показал себя лучше всего для ORR, в то время как графен , легированный азотом, оказался способным снизить перенапряжение зародышеобразования во время электроосаждения металлического лития. Лаборатория сообщила, что это должно способствовать более равномерному осаждению и повышению стабильности перезаряжаемых металлических батарей следующего поколения.
