Naukowcy chcą użyć grafenu do produkcji elektrod z uwagi na jego doskonałe przewodnictwo elektryczne, trwałość i dużą powierzchnię właściwą. Jednak standardowe metody produkcji grafenu dają w efekcie cienkie warstwy, które są łączone lub układane w stosy, co zmniejsza dostępną powierzchnię i czyni materiał trudnym w obróbce.
Aby wykorzystać właściwości elektryczne i mechaniczne materiału, jednocześnie zachowując jego dużą powierzchnię, naukowcy próbują tworzyć trójwymiarowe struktury grafenowe. Kilka zespołów badawczych wykonało już grafenowe pianki i aerożele. Jak wyjaśniał Sang-Hoon Park z Yonsei University w Seulu, nie nadają się one jednak na elektrody, ponieważ są zbyt duże i nieregularne, i charakteryzują się niską gęstością materiału węglowego. Kilka innych grup wykonało mniej nieporęczne nano- i mikrosfery grafenowe przy pomocy szablonów i technik 3D, takich jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej i liofilizacja.
Sang-Hoon Park i jego współpracownicy, w tym Kwang-Bum Kim z Yonsei University i Kwang Chul Roh z Koreańskiego Instytutu Technologii i Inżynierii Ceramicznej, postanowił wykorzystać tę drugą drogę. Podczas gdy uzyskiwane przez innych sfery wyglądają jak puste kulki lub kawałki zmiętego papieru, cząstki koreańskiego zespołu przypominają pompony - zawierają grafenowe nanoarkusze rozchodzące się promieniście od środka. Układ zwiększa dostępną powierzchnię grafenu i tworzy otwarte nanokanały, które mogą zwiększyć transfer ładunku, mówi Sang-Hoon Park.
Badacze przepuszczają wodną zawiesinę płatków tlenku grafenu przez dyszę ultradźwiękową, która wykorzystuje fale dźwiękowe do przekształcenia zawiesiny w mikrokropelki. Kropelki rozpylane są w rozgrzanej do 160°C mieszaninie organicznego rozpuszczalnika i kwasu askorbinowego, środka redukującego.
W gorącej mieszaninie tlenek grafenu redukowany jest do arkuszy grafenu, które zlepiają się ze sobą. Woda w kropelkach odparowuje i wydostaje się w kierunku ich powierzchni. - Wierzymy, że to szybkie odparowanie wody jest odpowiedzialne za promieniowy układ nanoarkuszy grafenu - mówi Sang-Hoon Park. 5-mikrometrowe kulki grafenowe wytrącają się z roztworu i są następnie przez badaczy odsączane.
Uzyskiwana przez naukowców w testach pojemność elektrod mikrosferycznych wyniosła 151 faradów na gram w porównaniu do 118 F/g w przypadku elektrod ze zwykłego grafenu, co dowodzi, że trójwymiarowa struktura cząstek ma lepszą wydajność.
Zdaniem chemika Shu-Hong Yu z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii pojemność grafenowych elektrod o strukturze pompona jest porównywalna do pojemności innych elektrod wykonanych z grafenowych materiałów 3D, ale ważna jest technologia ich uzyskiwania. W porównaniu z innymi metodami jest ona "bezpośrednia, prosta i znacznie łatwiej ją skalować do zastosowań przemysłowych", mówił Shu-Hong Yu.
źródło: American Chemical Society
