Forscher der Tohoku-Universität und der Tsinghua-Universität haben ein Membranelektrodenmodell der nächsten Generation vorgestellt, das verspricht, die elektrochemische Grundlagenforschung zu revolutionieren. Diese innovative Elektrode, die in einem sorgfältigen Prozess hergestellt wurde, präsentiert eine geordnete Anordnung hohler riesiger Kohlenstoffnanoröhren (gCNTs) in einer nanoporösen Membran und eröffnet so neue Möglichkeiten für die Energiespeicherung und elektrochemische Studien.
Der entscheidende Durchbruch liegt in der Konstruktion dieser neuartigen Elektrode. Die Forscher entwickelten eine einheitliche Kohlenstoffbeschichtungstechnik auf anodischem Aluminiumoxid (AAO), das auf einem Aluminiumsubstrat gebildet wurde, wobei die Barriereschicht entfernt wurde. Die resultierende konforme kohlenstoffbeschichtete Schicht weist vertikal ausgerichtete gCNTs mit Nanoporen mit einem Durchmesser von 10 bis 200 nm und einer Länge von 2 μm bis 90 μm auf und deckt kleine Elektrolytmoleküle bis hin zu biobezogenen großen Stoffen wie Enzymen und Exosomen ab.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbundelektroden eliminiert diese selbststehende Modellelektrode den Kontakt zwischen den Partikeln und sorgt so für einen minimalen Kontaktwiderstand – etwas, das für die Interpretation des entsprechenden elektrochemischen Verhaltens unerlässlich ist.
„Das Potenzial dieser Modellelektrode ist immens“, erklärte Dr. Zheng-Ze Pan, einer der entsprechenden Autoren der in veröffentlichten Studie Fortschrittliche Funktionsmaterialien. „Durch den Einsatz der Modellmembranelektrode mit ihrem umfangreichen Spektrum an Nanoporenabmessungen können wir tiefgreifende Einblicke in die komplizierten elektrochemischen Prozesse gewinnen, die in porösen Kohlenstoffelektroden ablaufen, zusammen mit ihren inhärenten Korrelationen zu den Nanoporenabmessungen.“
Darüber hinaus bestehen die gCNTs aus niedrigkristallinen gestapelten Graphenschichten und bieten einen beispiellosen Zugang zur elektrischen Leitfähigkeit innerhalb von niedrigkristallinen Kohlenstoffwänden. Durch experimentelle Messungen und den Einsatz eines hauseigenen temperaturprogrammierten Desorptionssystems erstellten die Forscher ein Strukturmodell der niedrigkristallinen Kohlenstoffwände im atomaren Maßstab und ermöglichten detaillierte theoretische Simulationen.
Dr. Alex Aziz, der den Simulationsteil für diese Forschung durchgeführt hat, betont: „Unsere fortschrittlichen Simulationen bieten eine einzigartige Linse zur Schätzung von Elektronenübergängen in amorphen Kohlenstoffen und werfen Licht auf die komplizierten Mechanismen, die ihr elektrisches Verhalten bestimmen.“
Mehr Informationen:
Hongyu Liu et al., Nanoporöse Membranelektroden mit einer geordneten Anordnung hohler riesiger Kohlenstoffnanoröhren, Fortschrittliche Funktionsmaterialien (2023). DOI: 10.1002/adfm.202303730