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Un indio Cuentas de investigación química informó conocimientos fundamentales sobre la compresibilidad seca del grafeno perforado junto con análisis mecanísticos utilizando modelos atomísticos que racionalizaron esta propiedad particular del grafeno perforado.
Aprender: Electrodos prensados en seco escalables basados en grafeno perforado. Crédito: Rost9/Shutterstock.com
El grafeno perforado pertenece a una clase de derivados estructurales del grafeno que tienen conjuntos de orificios pasantes con diámetros a nanoescala distribuidos esporádicamente sobre las superficies de las nanoláminas de grafeno.
¿Por qué es tan popular el grafeno?
El grafeno es un material revolucionario que tiene el potencial de crear nuevas industrias y reemplazar materiales y tecnologías actuales.
Aunque el grafeno tiene un espesor de una sola capa atómica, es químicamente estable, mucho más fuerte que el acero, tiene un área específica grande y exhibe una excelente conductividad térmica y eléctrica.
Los avances en la investigación del grafeno tienen implicaciones significativas para los campos del transporte, la atención médica, la electrónica y el almacenamiento de energía.
Producción de grafeno
Las láminas de grafeno con espesores controlados y grandes anchos se pueden fabricar utilizando deposición química de vapor (CVD) y técnicas de exfoliación mecánica.
Para aplicaciones que requieren grandes cantidades de materiales, como electrodos de batería y rellenos compuestos, el grafeno generalmente se produce al someter el grafito natural a una exfoliación oxidativa. Este proceso produce óxido de grafeno (GO), que luego se convierte en grafeno mediante reducción térmica o química.
Los defectos superficiales son comunes en el grafeno derivado de GO, lo que no es una desventaja ya que estos defectos superficiales pueden crear oportunidades para futuras transformaciones químicas.
La funcionalización de láminas de grafeno generalmente implica la adición de un resto orgánico y materiales inorgánicos o dopaje heteroatómico.
¿Qué es el grafeno perforado?
El grafeno Holey es una variante estructural del grafeno. Para producir grafeno perforado, se eliminan conjuntos de átomos de carbono de la superficie de una hoja de grafeno en lugar de agregar más unidades o partículas. Esto crea una serie de agujeros mientras mantiene la estructura bidimensional del grafeno perforado.
A primera vista, podría parecer que los agujeros hacen que la lámina de grafeno perforado sea más «defectuosa». Esto no es necesariamente cierto ya que los agujeros son creados por áreas de defectos inherentes en el material de grafeno original.
Si el mecanismo de formación de agujeros es lo suficientemente suave, la estructura de carbono restante conserva sus propiedades grafíticas, como lo indican las diferencias insignificantes en las observaciones experimentales de las propiedades mecánicas y eléctricas del grafeno perforado.
Ventajas de los agujeros en el grafeno perforado
La presencia de agujeros a nanoescala en la gran región lateral de las láminas bidimensionales de grafeno con agujeros conduce a funcionalidades únicas.
La transferencia de masa mejorada a través del espesor y, en consecuencia, una mejor accesibilidad de la superficie de grafeno en las pilas de nanoláminas es un buen ejemplo.
Esta propiedad es particularmente útil en los sistemas de almacenamiento de energía, donde el grafeno perforado se usa como material de electrodo, mientras que los orificios sirven como pasajes fáciles para varios iones y moléculas electrolíticas.
Debe haber una comprensión clara de la diferencia entre los agujeros en las láminas de grafeno perforadas y los poros tradicionalmente reportados en nanoestructuras de carbono de alta porosidad y ensamblajes de grafeno.
Los agujeros son inherentes a la estructura bidimensional de la nanolámina de grafeno perforada, mientras que los poros son huecos y vacíos entre las superficies de grafito adyacentes.
Un sucesor natural del grafeno en aplicaciones de almacenamiento de energía
El grafeno es un componente conductor extremadamente atractivo en electrodos para numerosas aplicaciones de almacenamiento de energía.
Debido a que el grafeno perforado es una variante estructural del grafeno con propiedades superiores, ha evolucionado naturalmente para convertirse en un sustituto más desafiante del grafeno en estas aplicaciones.
El veredicto sobre el grafeno Holey
Al ser un derivado estructural del grafeno, el grafeno perforado exhibe un patrón perforado que da como resultado un aumento insignificante de los defectos pero propiedades muy mejoradas, particularmente con respecto al transporte de masa a través de la lámina.
Esta propiedad es bastante relevante en aplicaciones de almacenamiento de energía donde la tortuosidad de iones reducida da como resultado un rendimiento significativamente mejorado.
La naturaleza porosa del grafeno perforado permite comprimir el polvo seco en estructuras compuestas o monolitos compactos con rellenos electroquímicamente activos que pueden usarse directamente como electrodos de batería o supercondensadores.
El uso de una técnica de prensado en seco sin aglutinantes ni disolventes con grafeno perforado permite la fácil fabricación de electrodos con grandes cargas de masa y alta capacidad de área requerida para su uso en sistemas de baterías prácticos.
Por el contrario, el proceso tradicional de fabricación de electrodos a base de lodo requiere mucho tiempo y puede causar problemas ambientales, así como dificultades significativas para mejorar la carga a granel del material activo.
En la mayoría de las situaciones, el grafeno perforado actúa como un marco estructural con propiedades aglutinantes en electrodos prensados en seco y como un aditivo conductor.
Con los procesos de fabricación escalables disponibles, el grafeno perforado podría ser una opción de material de carbono extremadamente atractiva para posibles electrodos de batería de alta densidad de energía, que ofrece ventajas tanto de fabricación como de rendimiento.
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Relación
Lin, Y., Plaza-Rivera, CO, Hu, L. y Connell, JW (2022). Electrodos escalables prensados en seco basados en grafeno perforado. Cuentas de investigación química. Disponible en: https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00457
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