I chimici della Rice University hanno modificato il loro processo di riscaldamento flash Joule per produrre grafene drogato con proprietà su misura per dispositivi ottici ed elettronici. Il metodo del grafene flash può trasformare qualsiasi fonte di carbonio in preziosi materiali 2D in pochi millisecondi. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Far emergere il grafene dai rifiuti è stato semplicemente un buon inizio. Ora i ricercatori della Rice University lo stanno personalizzando.
Il laboratorio Rice del chimico James Tour ha modificato il suo processo di riscaldamento flash Joule per produrre grafene drogato che adatta le strutture e gli stati elettronici del materiale spesso come un atomo per renderli più adatti ai nanodispositivi ottici ed elettronici. Il processo di drogaggio aggiunge altri elementi alla matrice di carbonio 2D del grafene.
Il processo riportato sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano mostra come il grafene può essere drogato con un singolo elemento o con coppie o trii di elementi. Il processo è stato dimostrato con singoli elementi boro, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo, una combinazione di due elementi di boro e azoto e una miscela di tre elementi di boro, azoto e zolfo.
Il processo dura circa un secondo, è privo di catalizzatori e solventi ed è interamente dipendente dal "flash" di una polvere che combina gli elementi droganti con il nerofumo.
Il drogaggio del grafene è possibile attraverso approcci dal basso verso l'alto come la deposizione chimica da vapore o processi organici sintetici, ma questi di solito producono prodotti in tracce o producono difetti nel grafene. Il processo Rice è una strada promettente per produrre grandi quantità di grafene "drogato con eteroatomo" in modo rapido e senza solventi, catalizzatori o acqua.
I chimici della Rice University hanno creato un processo di riscaldamento flash Joule senza catalizzatori e solventi per la produzione di grandi quantità di grafene drogato con proprietà personalizzate per nanodispositivi ottici ed elettronici. Credito:Tour Lab/Rice University
"Questo apre un nuovo regno di possibilità per il grafene flash", ha affermato Tour. "Una volta che abbiamo imparato a realizzare il prodotto originale, sapevamo che la capacità di sintetizzare direttamente il grafene turbostratico drogato avrebbe portato a molte più opzioni per prodotti utili. Questi nuovi atomi aggiunti alla matrice di grafene consentiranno di realizzare compositi più forti poiché i nuovi atomi lo faranno si legano meglio al materiale ospite, come cemento, asfalto o plastica. Gli atomi aggiunti modificheranno anche le proprietà elettroniche, rendendole più adatte per specifici dispositivi elettronici e ottici."
Il grafene è turbostratico quando le pile di reticoli a nido d'ape 2D non si allineano tra loro. Ciò rende più facile disperdere i fogli su scala nanometrica in una soluzione, producendo grafene solubile che è molto più semplice da incorporare in altri materiali, ha affermato Tour.
Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione di flash grafene co-drogato con boro e azoto. Credito:Weiyin Chen//Rice University
Il laboratorio ha testato vari grafeni drogati in due scenari:reazioni elettrochimiche di riduzione dell'ossigeno (ORR) che sono fondamentali per dispositivi catalitici come le celle a combustibile e come parte di un elettrodo nelle batterie al litio metallico che rappresentano la prossima generazione di batterie ricaricabili ad alta densità di energia.
Il grafene drogato con zolfo si è dimostrato il migliore per l'ORR, mentre il grafene drogato con azoto si è dimostrato in grado di ridurre il sovrapotenziale di nucleazione durante l'elettrodeposizione del litio metallico. Ciò dovrebbe facilitare una deposizione più uniforme e una migliore stabilità nelle batterie metalliche ricaricabili di prossima generazione, ha riferito il laboratorio. + Esplora ulteriormente
