Rice University kemister har modifierat sin flash Joule-uppvärmningsprocess för att producera dopad grafen med skräddarsydda egenskaper för optiska och elektroniska enheter. Flashgrafenmetoden kan förvandla vilken kolkälla som helst till värdefullt 2D-material på millisekunder. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Att exponera grafen från avfall var bara en bra början. Nu anpassar forskare från Rice University det.
Kemisten James Tours Rice-lab har modifierat sin flash Joule-uppvärmningsprocess för att producera dopad grafen som skräddarsyr det atomtjocka materialets strukturer och elektroniska tillstånd för att göra dem mer lämpade för optiska och elektroniska nanoenheter. Dopningsprocessen lägger till andra element till grafens 2D-kolmatris.
Processen som rapporterats i American Chemical Society-tidskriften ACS Nano visar hur grafen kan dopas med ett enda element eller med par eller trios av element. Processen demonstrerades med enstaka element bor, kväve, syre, fosfor och svavel, en tvåelementskombination av bor och kväve och en treelementsblandning av bor, kväve och svavel.
Processen tar ungefär en sekund, är både katalysator- och lösningsmedelsfri, och är helt beroende av att "flashing" ett pulver som kombinerar dopningsämnena med kimrök.
Doping av grafen är möjligt genom nedifrån-och-upp-metoder som kemisk ångavsättning eller syntetiska organiska processer, men dessa ger vanligtvis produkter i spårmängder eller ger defekter i grafenet. Risprocessen är en lovande väg att producera stora mängder "heteroatomdopad" grafen snabbt och utan lösningsmedel, katalysatorer eller vatten.
Rice University-kemister har skapat en katalysator- och lösningsmedelsfri flash-joule-uppvärmningsprocess för tillverkning av bulkmängder av dopad grafen med skräddarsydda egenskaper för optiska och elektroniska nanoenheter. Kredit:Tour Lab/Rice University
"Detta öppnar upp en ny värld av möjligheter för flashgrafen," sa Tour. "När vi lärde oss att göra den ursprungliga produkten, visste vi att förmågan att direkt syntetisera dopad turbostratisk grafen skulle leda till många fler alternativ för användbara produkter. Dessa nya atomer som läggs till grafenmatrisen kommer att tillåta starkare kompositer att tillverkas eftersom de nya atomerna kommer att binder bättre till värdmaterialet, såsom betong, asfalt eller plast. De tillsatta atomerna kommer också att modifiera de elektroniska egenskaperna, vilket gör dem bättre lämpade för specifika elektroniska och optiska enheter."
Grafen är turbostratisk när staplar av 2D-bikakegaller inte är i linje med varandra. Detta gör det lättare att sprida arken i nanoskala i en lösning, vilket ger löslig grafen som är mycket enklare att införliva i andra material, sa Tour.
En transmissionselektronmikroskopbild av flashgrafen samdopad med bor och kväve. Kredit:Weiyin Chen//Rice University
Laboratoriet testade olika dopade grafener i två scenarier:elektrokemiska syrereduktionsreaktioner (ORR) som är nyckeln till katalytiska enheter som bränsleceller, och som en del av en elektrod i litiummetallbatterier som representerar nästa generation av uppladdningsbara batterier med hög energitäthet.
Svaveldopad grafen visade sig vara bäst för ORR, medan kvävedopad grafen visade sig kunna minska kärnbildningsöverpotentialen under elektroavsättningen av metalliskt litium. Det borde underlätta mer enhetlig deponering och förbättrad stabilitet i nästa generations uppladdningsbara metallbatterier, rapporterade labbet. + Utforska vidare
