Une équipe internationale de scientifiques a mis au point ce qui pourrait être le premier processus en une seule étape pour fabriquer des nanomatériaux à base de carbone sans soudure qui possèdent des propriétés thermiques supérieures, propriétés électriques et mécaniques en trois dimensions.

La recherche offre un potentiel de stockage d'énergie accru dans les batteries et les supercondensateurs à haut rendement, augmenter l'efficacité de la conversion d'énergie dans les cellules solaires, pour les revêtements thermiques légers et plus encore. L'étude est publiée aujourd'hui dans la revue en ligne Avancées scientifiques .

Dans les premiers tests, un supercondensateur tridimensionnel (3D) de type fibre fabriqué avec des fibres ininterrompues de nanotubes de carbone et de graphène égalant ou améliorant - d'un facteur quatre - les capacités record signalées pour ce type de dispositif.

Utilisé comme contre-électrode dans une cellule solaire à colorant, le matériau a permis à la cellule de convertir de l'énergie avec une efficacité allant jusqu'à 6,8 % et a plus que doublé les performances d'une cellule identique qui utilisait à la place une contre-électrode en fil de platine coûteuse.

Les nanotubes de carbone pourraient être hautement conducteurs le long de la longueur des nanotubes 1D et des feuilles de graphène bidimensionnelles dans le plan 2D. Mais les matériaux sont insuffisants dans un monde tridimensionnel en raison de la mauvaise conductivité intercalaire, tout comme les processus en deux étapes fusionnant les nanotubes et le graphène en trois dimensions.

« Les processus en deux étapes que notre laboratoire et d'autres développés précédemment n'ont pas d'interface transparente et, donc, manque la conductance recherchée, " dit Liming Dai, le professeur Kent Hale Smith de science et d'ingénierie macromoléculaires à l'Université Case Western Reserve et un chef de file de la recherche.

"Dans notre processus en une seule étape, l'interface est faite avec une liaison carbone-carbone, il semble donc qu'il s'agisse d'une seule feuille de graphène, " Dai dit. "Cela en fait un excellent conducteur thermique et électrique dans tous les plans."

Dai a travaillé pendant près de quatre ans avec Zhong Lin Wang, la Chaire Hightower en science et ingénierie des matériaux, et Yong Ding, un chercheur scientifique principal, au Georgia Institute of Technology; et Zhenhai Xia, professeur de science et génie des matériaux, à l'Université du nord du Texas; Ajit Roy, ingénieur principal de recherche matériaux à la Direction des matériaux et de la fabrication, Laboratoire de recherche de l'armée de l'air, Dayton; et d'autres sur un programme de l'Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI) du département de la Défense des États-Unis (Joycelyn Harrison, Gestionnaire de programme). Une étroite collaboration a également été établie avec Yuhua Xue, l'associé de recherche au CWRU et chercheur invité de l'Institute of Advanced Materials for Nano-Bio Applications, École d'ophtalmologie et d'optométrie, Université médicale de Wenzhou, avec Jia Qu et Hao Chen, professeurs à l'Université de médecine de Wenzhou.

Pour créer le matériau 3D, les chercheurs ont gravé des nanotrous alignés radialement sur la longueur et la circonférence d'un petit fil d'aluminium, puis a utilisé le dépôt chimique en phase vapeur pour recouvrir la surface de graphène sans utiliser de catalyseur métallique qui pourrait rester dans la structure.

"Des nanotubes alignés radialement se développent dans les trous. Le graphène qui enveloppe les réseaux de fils et de nanotubes est lié de manière covalente, former des jonctions nodales carbone-carbone pures qui minimisent la résistance thermique et électrique, " a dit Wang.

L'architecture donne une immense surface, ajouter aux propriétés de transport, disent les chercheurs. En utilisant le Brunauer, La théorie d'Emmett et Teller, ils calculent la surface de cette architecture à près de 527 mètres carrés par gramme de matériau.

Les tests ont montré que le matériau constitue une électrode idéale pour un stockage d'énergie très efficace. La capacité par surface atteint 89,4 millifarads par centimètre carré et par longueur, jusqu'à 23,9 millifarads par centimètre dans le supercondensateur de type fibre.

Les propriétés peuvent être personnalisées. Avec le processus en une étape, le matériau peut être fait très long, ou dans un tube de diamètre plus large ou plus étroit, et la densité des nanotubes peut être modifiée pour produire des matériaux avec des propriétés différentes pour différents besoins.

Le matériau peut être utilisé pour le stockage de charge dans des condensateurs et des batteries ou la grande surface pourrait permettre le stockage de l'hydrogène. "Les propriétés pourraient être utilisées pour une plus grande variété d'applications, y compris les capteurs sensibles, électronique portable, gestion thermique et systèmes aérospatiaux multifonctionnels", dit Roy.

Les scientifiques continuent d'explorer les propriétés qui peuvent être dérivées de ces fibres à couche unique de graphène 3D et développent un procédé de fabrication de fibres multicouches.