Les anneaux à sept atomes (en rouge) à la transition du graphène au nanotube font d'un nouveau matériau hybride de l'Université Rice un conducteur sans soudure. L'hybride peut être le meilleur matériau d'interface d'électrode possible pour de nombreuses applications de stockage d'énergie et d'électronique. Crédit :Tour Group/Rice University
(Phys.org) - Un hybride graphène/nanotube sans soudure créé à l'Université Rice peut être le meilleur matériau d'interface d'électrode possible pour de nombreuses applications de stockage d'énergie et d'électronique.
Dirigé par le chimiste Rice James Tour, les chercheurs ont réussi à faire pousser des forêts de nanotubes de carbone qui s'élèvent rapidement de feuilles de graphène à des longueurs étonnantes allant jusqu'à 120 microns, selon un article publié aujourd'hui par Communication Nature . Une maison sur un terrain moyen avec le même rapport hauteur/largeur s'élèverait dans l'espace.
Cela se traduit par une surface massive, le facteur clé dans la fabrication de choses comme les supercondensateurs de stockage d'énergie.
L'hybride Rice combine du graphène bidimensionnel, qui est une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur, et des nanotubes dans une structure tridimensionnelle sans soudure. Les liaisons entre eux sont covalentes, ce qui signifie que les atomes de carbone adjacents partagent des électrons dans une configuration très stable. Les nanotubes ne sont pas simplement assis sur la feuille de graphène; ils en font partie.
Les forêts de nanotubes cultivés directement à partir de graphène à l'Université Rice sont un matériau hybride avec une surface massive, probablement le meilleur matériau jamais conçu pour les supercondensateurs et autres applications électriques. Les anneaux à sept membres à la base (en rouge) rendent possible la transition transparente du graphène au nanotube. Crédit :Tour Group/Rice University
"Beaucoup de gens ont essayé d'attacher des nanotubes à une électrode métallique et ça ne s'est jamais très bien passé car ils ont une petite barrière électronique juste à l'interface, " a déclaré Tour. " En faisant croître du graphène sur du métal (dans ce cas du cuivre), puis en faisant croître des nanotubes à partir du graphène, le contact électrique entre les nanotubes et l'électrode métallique est ohmique. Cela signifie que les électrons ne voient aucune différence, parce que c'est tout un matériau sans couture.
« Cela nous donne, effectivement, une surface très élevée de plus de 2, 000 mètres carrés par gramme de matériau. C'est un nombre énorme, " dit Tour, T.T. et W.F. de Rice Chaire Chao en chimie ainsi que professeur de génie mécanique et de science des matériaux et d'informatique et co-auteur avec l'ancien chercheur postdoctoral et auteur principal Yu Zhu, maintenant professeur assistant à l'Université d'Akron.
Les nanotubes sont cultivés à partir de graphène dans un processus développé à l'Université Rice pour créer de l'odako à l'échelle nanométrique, ainsi nommé pour les cerfs-volants japonais géants auxquels ils ressemblent. Le matériau peut être le meilleur possible pour les applications électriques comme les supercondensateurs. Crédit :Tour Group/Rice University
Tour a déclaré que la preuve de la nature hybride du matériau réside dans les anneaux à sept chaînons à la transition du graphène au nanotube, une structure prédite par la théorie pour un tel matériau et maintenant confirmée par des images au microscope électronique avec une résolution subnanométrique.
Le carbone n'a pas d'égal en tant que matériau conducteur sous une forme aussi fine et robuste, notamment sous forme de graphène ou de certains types de nanotubes. La combinaison des deux semble offrir un grand potentiel pour les composants électroniques tels que les supercondensateurs rapides qui, en raison de la superficie massive, peut contenir une grande quantité d'énergie dans un tout petit paquet.
Une forêt de nanotubes, chacun de quelques nanomètres de large, pousse à partir d'une feuille de graphène sur du cuivre. Le matériau hybride créé à l'Université Rice a une surface de plus de 2, 000 mètres carrés par gramme. Crédit :Tour Group/Rice University
Le chimiste du riz Robert Hauge et son équipe ont fait les premiers pas vers un tel hybride au cours de la dernière décennie. Hauge, membre distingué du corps professoral en chimie de Rice et co-auteur du nouvel ouvrage, a découvert un moyen de fabriquer des tapis de nanotubes densément emballés sur un substrat de carbone en suspendant des flocons de catalyseur dans un four. Lorsqu'il est chauffé, le catalyseur construit des nanotubes de carbone comme des gratte-ciel, en commençant par le substrat et en remontant. Dans le processus, ils ont soulevé le tampon d'oxyde d'aluminium dans les airs. Le tout ressemblait à un cerf-volant avec de nombreuses cordes et était surnommé un odako, comme les cerfs-volants géants japonais.
Dans le nouveau travail, l'équipe a développé un odako spécialisé qui a retenu le catalyseur de fer et le tampon d'oxyde d'aluminium mais les a placés au-dessus d'une couche de graphène cultivée séparément sur un substrat de cuivre. Le cuivre est resté pour servir d'excellent collecteur de courant pour les hybrides tridimensionnels qui ont été cultivés en quelques minutes à des longueurs contrôlables allant jusqu'à 120 microns.
Un plateau de nanotubes cultivés de manière transparente à partir de graphène à l'Université Rice. Le matériau hybride est peut-être le plus efficace jamais conçu pour les supercondensateurs. Crédit :Tour Group/Rice University
Les images au microscope électronique ont montré l'un-, des nanotubes à deux et trois parois solidement noyés dans le graphène, et les tests électriques n'ont montré aucune résistance à la circulation du courant à la jonction.
"Les performances que nous constatons dans cette étude sont aussi bonnes que les meilleurs supercondensateurs à base de carbone qui aient jamais été fabriqués, " a déclaré Tour. " Nous ne sommes pas vraiment un laboratoire de supercondensateurs, et encore nous avons pu égaler la performance en raison de la qualité de l'électrode. C'est vraiment remarquable, et tout revient à cette interface unique."
