Os químicos da Rice University modificaram seu processo de aquecimento flash Joule para produzir grafeno dopado com propriedades personalizadas para dispositivos ópticos e eletrônicos. O método de grafeno flash pode transformar qualquer fonte de carbono em materiais 2D valiosos em milissegundos. Crédito:Jeff Fitlow/Rice University
Lançar grafeno a partir de resíduos foi apenas um bom começo. Agora, os pesquisadores da Rice University estão personalizando-o.
O laboratório Rice do químico James Tour modificou seu processo de aquecimento flash Joule para produzir grafeno dopado que adapta as estruturas e estados eletrônicos do material de espessura atômica para torná-los mais adequados para nanodispositivos ópticos e eletrônicos. O processo de dopagem adiciona outros elementos à matriz de carbono 2D do grafeno.
O processo relatado na revista da American Chemical Society
ACS Nano mostra como o grafeno pode ser dopado com um único elemento ou com pares ou trios de elementos. O processo foi demonstrado com elementos simples boro, nitrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre, uma combinação de dois elementos de boro e nitrogênio e uma mistura de três elementos de boro, nitrogênio e enxofre.
O processo leva cerca de um segundo, é livre de catalisadores e solventes, e é totalmente dependente de "piscar" um pó que combina os elementos dopantes com o negro de fumo.
A dopagem do grafeno é possível por meio de abordagens de baixo para cima, como deposição de vapor químico ou processos orgânicos sintéticos, mas geralmente produzem produtos em pequenas quantidades ou produzem defeitos no grafeno. O processo Rice é uma rota promissora para produzir grandes quantidades de grafeno "dopado com heteroátomo" de forma rápida e sem solventes, catalisadores ou água.
Os químicos da Rice University criaram um processo de aquecimento Joule flash livre de catalisador e solvente para a fabricação de grandes quantidades de grafeno dopado com propriedades personalizadas para nanodispositivos ópticos e eletrônicos. Crédito:Tour Lab/Rice University
"Isso abre um novo campo de possibilidades para o grafeno flash", disse Tour. "Uma vez que aprendemos a fazer o produto original, sabíamos que a capacidade de sintetizar diretamente o grafeno turbostratic dopado levaria a muito mais opções de produtos úteis. Esses novos átomos adicionados à matriz de grafeno permitirão a fabricação de compósitos mais fortes, pois os novos átomos se ligam melhor ao material hospedeiro, como concreto, asfalto ou plástico. Os átomos adicionados também modificarão as propriedades eletrônicas, tornando-os mais adequados para dispositivos eletrônicos e ópticos específicos."
O grafeno é turboestrático quando pilhas de treliças 2D em forma de favo de mel não se alinham umas com as outras. Isso facilita a dispersão das folhas em nanoescala em uma solução, produzindo grafeno solúvel que é muito mais simples de incorporar em outros materiais, disse Tour.
Uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão de grafeno flash co-dopado com boro e nitrogênio. Crédito:Weiyin Chen // Universidade Rice
O laboratório testou vários grafenos dopados em dois cenários:reações eletroquímicas de redução de oxigênio (ORR), que são fundamentais para dispositivos catalíticos como células de combustível, e como parte de um eletrodo em baterias de metal de lítio que representam a próxima geração de baterias recarregáveis com alta densidade de energia.
O grafeno dopado com enxofre provou ser o melhor para ORR, enquanto o grafeno dopado com nitrogênio provou ser capaz de reduzir o sobrepotencial de nucleação durante a eletrodeposição de lítio metálico. Isso deve facilitar uma deposição mais uniforme e melhor estabilidade nas baterias de metal recarregáveis de próxima geração, informou o laboratório.
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