Американские учёные нашли технологичный способ изготовления наноразмерных частиц, образованных смятыми листами графена (кратко об этом мы уже писали).

Такие частицы имеют некоторые преимущества перед обычным листовым графеном, склонным к объединению с соседними слоями под действием сил Ван-дер-Ваальса. Наложение слоёв и их «сцепление» затрудняет создание дисперсий и ухудшает свойства материала (уменьшает доступную площадь поверхности). Кроме того, склонность к слипанию может делать образцы графена, испытавшие разные сжимающие напряжения при обработке, мало похожими друг на друга.

Рис. 1. Смятый графен под просвечивающим электронным микроскопом (здесь и далее иллюстрации из журнала ACS Nano).

Ранее было установлено, что трёхмерные шарики смятого графена действительно устойчивы к сжатию и объединению. Не хватало только удобной методики их получения, которую и разработали авторы.

Рис. 2. Схема эксперимента и микрофотографии листов GO, которые постепенно спрессовываются и собираются в шарики.

Схема экспериментальной установки, сконструированной американцами, показана на рисунке выше. С помощью ультразвукового распылителя экспериментаторы получали капли водной дисперсии оксида графена (GO), которые направлялись в разогретую до 800 ˚C печь потоком транспортирующего газа (азота). При быстром испарении капель листы GO спрессовывались в наноразмерные шарики, а сам оксид восстанавливался до графена. Размер получаемых частиц зависел от концентрации GO в аэрозольных каплях: с её ростом от 0,2 до 5 мг/мл средний диаметр сфер увеличивался от 250 до 800 нм.

Как показали дальнейшие эксперименты, сжатые под давлением в 55 МПа агрегаты частиц из смятого графена легко распределяются по объёму растворителя (воды, метанола, толуола, ацетона, циклогексана), а сжатые листы GO надёжно «сцепляются», и подготовить их дисперсию не удаётся.

Смятый графен спокойно выдерживал и более высокое давление в 2 ГПа, предлагая неизменно высокую удельную площадь поверхности.

Чтобы оценить перспективы практического применения частиц из смятого графена, учёные изготовили с их использованием анод микробной топливной батареи. Опытная эксплуатации батареи доказала, что электрод, модифицированный таким образом, по своим характеристикам превосходит аноды с обычным активированным углём или листами графена.

Рис. 3. Снимки готовых частиц из смятого графена. В верхнем ряду размеры проставлены в микрометрах, в среднем — в нанометрах. Внизу показана зависимость среднего размера частиц от концентрации GO.

Статью с полным описанием методики можно, предварительно зарегистрировавшись, скачать с сайта журнала ACS Nano.