Ett internationellt team av forskare har utvecklat vad som kan vara den första ettstegsprocessen för att göra sömlösa kolbaserade nanomaterial som har överlägsen termisk, elektriska och mekaniska egenskaper i tre dimensioner.

Forskningen har potential för ökad energilagring i högeffektiva batterier och superkondensatorer, öka effektiviteten av energiomvandlingen i solceller, för lätta termiska beläggningar och mer. Studien publiceras idag i nättidskriften Vetenskapens framsteg .

I tidiga tester, en tredimensionell (3D) fiberliknande superkondensator gjord med de oavbrutna fibrerna av kolnanorör och grafen matchade eller förbättrade – med en faktor fyra – den rapporterade rekordhöga kapaciteten för denna typ av enhet.

Används som motelektrod i en färgsensibiliserad solcell, materialet gjorde det möjligt för cellen att omvandla effekt med upp till 6,8 procents effektivitet och mer än fördubblade prestandan hos en identisk cell som istället använde en dyr motelektrod av platinatråd.

Kolnanorör kan vara mycket ledande längs 1D-nanorörslängden och tvådimensionella grafenark i 2D-planet. Men materialen kommer till korta i en tredimensionell värld på grund av den dåliga ledningsförmågan mellan lagren, liksom tvåstegsprocesser som kombinerar nanorör och grafen till tre dimensioner.

"Tvåstegsprocesser som vårt labb och andra utvecklade tidigare saknar ett sömlöst gränssnitt och, därför, saknar den eftersträvade konduktansen, " sa Liming Dai, Kent Hale Smith professor i makromolekylär vetenskap och teknik vid Case Western Reserve University och ledare för forskningen.

"I vår process i ett steg, gränssnittet är gjort med kol-till-kol-bindning så det ser ut som om det är ett enda grafenark, " sa Dai. "Det gör den till en utmärkt termisk och elektrisk ledare i alla plan."

Dai har arbetat i nästan fyra år med Zhong Lin Wang, Hightower-stolen i materialvetenskap och teknik, och Yong Ding, en senior forskare, vid Georgia Institute of Technology; och Zhenhai Xia, professor i materialvetenskap och teknik, vid University of North Texas; Ajit Roy, huvudingenjör för materialforskning vid direktoratet för material och tillverkning, Flygvapnets forskningslaboratorium, Dayton; och andra på ett program från U.S. Department of Defense-Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) (Joycelyn Harrison, Programansvarig). Ett nära samarbete gjordes också med Yuhua Xue, forskningsassistenten vid CWRU och gästforskare från Institute of Advanced Materials for Nano-Bio Applications, Skolan för oftalmologi och optometri, Wenzhou Medical University, tillsammans med Jia Qu och Hao Chen, professorer vid Wenzhou Medical University.

För att göra 3D-materialet, forskarna etsade radiellt inriktade nanohål längs längden och omkretsen av en liten aluminiumtråd, använde sedan kemisk ångavsättning för att täcka ytan med grafen utan att någon metallkatalysator kunde finnas kvar i strukturen.

"Radiellt riktade nanorör växer i hålen. Grafenet som täcker tråd- och nanorörsuppsättningarna är kovalent bundna, bildar rena kol-till-kol nodalövergångar som minimerar termiskt och elektriskt motstånd, " sa Wang.

Arkitekturen ger en enorm yta, lägga till transportegenskaperna, säger forskarna. Med hjälp av Brunauer, Emmett och Tellers teori, de beräknar ytan på denna arkitektur till nästan 527 kvadratmeter per gram material.

Tester visade att materialet är en idealisk elektrod för högeffektiv energilagring. Kapacitansen per område nådde så hög som 89,4 millifarad per kvadratcentimeter och längd, upp till 23,9 millifarad per centimeter i den fiberliknande superkondensatorn.

Egenskaperna kan anpassas. Med enstegsprocessen, materialet kan göras mycket långt, eller i ett rör med en bredare eller smalare diameter, och densiteten av nanorör kan varieras för att producera material med olika egenskaper för olika behov.

Materialet kan användas för laddningslagring i kondensatorer och batterier eller så kan den stora ytan möjliggöra lagring av väte. "Egenskaperna skulle kunna användas för ett ännu bredare utbud av applikationer, inklusive känsliga sensorer, bärbar elektronik, termisk ledning och multifunktionella flygsystem", sa Roy.

Forskarna fortsätter att utforska egenskaperna som kan härledas från dessa enkla 3D-grafenskiktsfibrer och utvecklar en process för att tillverka flerskiktsfibrer.