Enthüllung der nanoskaligen Grenze: Innovation mit nanoporösen Modellelektroden

02. Juni 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Forscher der Tohoku-Universität und der Tsinghua-Universität haben eine Modellmembranelektrode der nächsten Generation vorgestellt, die verspricht, die elektrochemische Grundlagenforschung zu revolutionieren. Diese innovative Elektrode, die in einem sorgfältigen Prozess hergestellt wurde, weist eine geordnete Anordnung hohler Riesen auf Kohlenstoff-Nanoröhren (gCNTs) in einer nanoporösen Membran, was neue Möglichkeiten für die Energiespeicherung und elektrochemische Studien eröffnet. 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. Modellmembranelektrode, die einen weiten Bereich der Steuerbarkeit der Porenabmessungen zeigt. (Bild: Universität Tohoku) „Das Potenzial dieser Modellelektrode ist immens“, sagte Dr. Zheng-Ze Pan, einer der entsprechenden Autoren der Studie. „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 Stapeln Graphenblätter, was einen beispiellosen Zugang zur elektrischen Leitfähigkeit innerhalb von niedrigkristallinen Kohlenstoffwänden bietet. 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, weist darauf hin: „Unsere fortschrittlichen Simulationen bieten eine einzigartige Linse zur Abschätzung von Elektronenübergängen in amorphen Kohlenstoffen und werfen Licht auf die komplizierten Mechanismen, die ihr elektrisches Verhalten bestimmen.“ Dieses Projekt wurde von Prof. Dr. Hirotomo Nishihara, dem Hauptforscher der Geräte-/Systemgruppe am Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR), geleitet. Die Ergebnisse sind detailliert in Fortgeschrittene Funktionsmaterialien („Nanoporöse Membranelektroden mit einer geordneten Anordnung hohler riesiger Kohlenstoffnanoröhren“). Letztendlich stellt die Studie einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis amorpher poröser Kohlenstoffmaterialien und ihrer Anwendungen bei der Untersuchung verschiedener elektrochemischer Systeme dar.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63098.php