O grafen z domieszkami pierwiastków będzie jeszcze łatwiej

Grafen jeszcze lepszy? Naukowcy opracowali nowe metody tworzenia domieszek

Grafen to prawdopodobnie najsłynniejszy materiał naszych czasów. Naukowcy co chwilę ogłaszają kolejne przełomy z nim związane – kolejny jest dziełem chemików z Uniwersytetu Rice’a. Udowodnili, że grafen może być domieszkowany pojedynczym pierwiastkiem, parami lub trójkami pierwiastków.

Zespół naukowców dr Jamesa Toura z Uniwersytetu Rice’a wykorzystał prawo Joule’a w celu stworzenia domieszkowanego grafenu, dzięki czemu lepiej nadaje się on do zastosowania w nanourządzeniach optycznych i elektronicznych. Proces domieszkowania polega na dodaniu innych elementów do dwuwymiarowej matrycy węglowej grafenu. Uczeni z Uniwersytetu Rice’a przeprowadzili eksperyment z pojedynczymi pierwiastkami: borem, azotem, tlenem, fosforem i siarką. Sprawdzili także kombinację dwóch pierwiastków: boru i azotu, a także trójelementową mieszaninę boru, azotu i siarki.

Proces opisany w czasopiśmie ACS Nano trwał ok. jednej sekundy i nie wymagał użycia katalizatora ani rozpuszczalnika. Był zależny tylko od „błysku” proszku łączącego pierwiastki domieszkowe z grafenem.

Czytaj też: Atrament grafenowy zmieni wszystko, co znamy. Nadchodzi ciekawa rewolucja

Warto podkreślić, że klasyczne technologie domieszkowania grafenu opierają się m.in. na metodach bottom-up, czyli chemicznego osadzania fazy gazowej lub syntetycznych procesach organicznych, ale zwykle dają one produkty w śladowych ilościach lub powodują powstawanie defektów w grafenie. Nowo opracowania technika jest o tyle obiecująca, że oferuje duże ilości grafenu domieszkowanego heteroatomami.

To otwiera nowe możliwości dla grafenu błyskowego. Kiedy już nauczyliśmy się wytwarzać oryginalny produkt, wiedzieliśmy, że możliwość bezpośredniej syntezy domieszkowanego grafenu turbostratycznego doprowadzi do powstania wielu innych użytecznych produktów. Nowe atomy dodane do matrycy grafenowej pozwolą na stworzenie mocniejszych kompozytów, ponieważ nowe atomy będą lepiej wiązać się z materiałem, z którego są wykonane, takim jak beton, asfalt czy plastik. Dodane atomy zmodyfikują również właściwości elektronowe, dzięki czemu kompozyty te będą lepiej nadawać się do zastosowania w konkretnych urządzeniach elektronicznych i optycznych.

dr James Tour

Naukowcy przetestowali różne domieszkowane grafeny w różnych scenariuszach, m.in. elektrochemicznych reakcjach redukcji tlenu (ORR), które są kluczowe dla urządzeń katalitycznych (np. ogniw paliwowych) oraz jako część elektrody w bateriach litowo-metalowych, które stanowią kolejną generację akumulatorów o wysokiej gęstości energii. Grafen domieszkowany siarką okazał się najlepszym rozwiązaniem dla ORR, a grafen domieszkowany azotem sprawdził się w akumulatorach metalicznych następnej generacji.