Das Stapeln von drei Graphenschichten mit einer Drehung beschleunigt elektrochemische Reaktionen

Für die Herstellung ist ein Dreischicht-Verfahren möglicherweise besser geeignet als ein Zweischicht-Verfahren, da es die Geschwindigkeit und Kapazität elektrochemischer und elektrokatalytischer Geräte verbessert.

Drei Graphenschichten in einem verdrillten Stapel profitieren von einer ähnlich hohen Leitfähigkeit wie „Magic Angle“-Doppelschichtgraphen, sind aber einfacher herzustellen – und bieten einen schnelleren Elektronentransfer. Die Entdeckung könnte nanoelektrochemische Geräte oder Elektrokatalysatoren um die Energiespeicherung oder -umwandlung voranzutreiben.

Graphen – eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet ist – verfügt über einzigartige Eigenschaften wie eine große Oberfläche, hervorragende elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Flexibilität, die dieses 2D-Material zu einem starken Kandidaten für die Steigerung der Geschwindigkeit und Kapazität der Energiespeicherung machen.

Durch das Verdrehen zweier Graphenschichten in einem Winkel von 1,1°, dem sogenannten „magischen Winkel“, entsteht eine „Flachband“-Struktur, was bedeutet, dass die Elektronen über einen Bereich von Impulswerten hinweg alle ungefähr die gleiche Energie haben. Aus diesem Grund gibt es auf dem Energieniveau des Flachbands einen großen Peak in der Zustandsdichte oder den verfügbaren Energieniveaus, die Elektronen einnehmen können, was die elektrische Leitfähigkeit verbessert.

Kürzliche Arbeit experimentell bestätigt Diese flachen Bänder können genutzt werden, um die Ladungstransferreaktivität von verdrilltem Zweischichtgraphen zu erhöhen, wenn sie mit einem geeigneten Redoxpaar gepaart werden – einem Satz chemischer Stoffe, die häufig bei der Energiespeicherung zum Transport von Elektronen zwischen Batterieelektroden verwendet werden.

Das Hinzufügen einer weiteren Graphenschicht zur Herstellung von verdrilltem dreilagigem Graphen führte zu einem schnelleren Elektronentransfer im Vergleich zu zweilagigem Graphen. Dies zeigt ein elektrochemisches Aktivitätsmodell in einer aktuellen Studie von Forschern der University of Michigan.

„Wir haben eine hochflexible und verbesserte Ladungstransferreaktivität in verdrilltem dreilagigem Graphen entdeckt, die nicht auf bestimmte Verdrillungswinkel oder Redoxpaare beschränkt ist“, sagte Venkat Viswanathan, außerordentlicher Professor für Luft- und Raumfahrttechnik und korrespondierender Autor der Studie. veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society.

Durch das Stapeln von drei Graphenschichten entsteht ein zusätzlicher Verdrehungswinkel, wodurch bei kleinen Verdrehungswinkeln „inkommensurable“, also sich nicht wiederholende Muster entstehen – anders als bei zweischichtigem Graphen, das sich wiederholende Muster bildet. Im Wesentlichen richten sich die hexagonalen Gitter beim Hinzufügen einer dritten Schicht nicht perfekt aus.

Bei Zimmertemperatur weisen diese sich nicht wiederholenden Muster abseits der flachen Bänder einen größeren Winkelbereich mit hoher Zustandsdichte auf, wodurch die elektrische Leitfähigkeit vergleichbar mit der für den magischen Winkel vorhergesagten erhöht wird.

„Diese Entdeckung erleichtert die Herstellung und vermeidet die Herausforderung, den genauen Verdrehungswinkel sicherzustellen, den zweilagiges Graphen erfordert“, sagte Mohammad Babar, Doktorand des Maschinenbaus und der Luft- und Raumfahrttechnik und Erstautor der Studie.

Im nächsten Schritt planen die Forscher, diese Erkenntnisse experimentell zu überprüfen und möglicherweise eine noch höhere Aktivität in mehrschichtigen, verdrillten 2D-Materialien für eine breite Palette elektrochemischer Prozesse wie Redoxreaktionen und Elektrokatalyse zu entdecken.

„Unsere Arbeit eröffnet ein neues Feld der Kinetik in 2D-Materialien, indem sie die elektrochemischen Signaturen von kommensurablen und inkommensurablen Strukturen erfasst. Wir können jetzt das optimale Gleichgewicht der Ladungstransfer-Reaktivität in dreilagigem Graphen für ein bestimmtes Redoxpaar ermitteln“, sagte Babar.