Revista de Investigación y Desarrollo
Acceso abierto
ISSN: 2311-3278
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Mineo Hiramatsu
El grafeno (monocapa y pocas capas) es un material bidimensional con una gran anisotropía entre las direcciones dentro y fuera del plano. Los nanomuros de carbono (CNW) son grafenos de pocas capas con límites abiertos, colocados verticalmente sobre un sustrato. Las láminas forman una red autosoportada de estructuras de paredes laberínticas. Los CNW y estructuras de grafeno similares se pueden sintetizar mediante varias técnicas de deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD). Los CNW a veces están decorados con nanopartículas metálicas y biomoléculas. La estructura de los CNW con una gran superficie sería adecuada para la plataforma en aplicaciones electroquímicas y de biodetección. Las películas CNW se pueden usar potencialmente como electrodos de sensores electroquímicos, capacitores, celdas solares sensibilizadas por colorante, celdas de combustible de electrolito polimérico (PEFC) y glucosa implantable.pila de combustible (GFC). Entre estos, los electrodos CNW en celdas de combustible debe ser decorado con nanopartículas catalíticas como Pt. Desde un punto de vista práctico, el control de las estructuras CNW, incluido el espacio entre las nanoparedes adyacentes y la cristalinidad, es significativamente importante. Además, se debe establecer el método de formación de nanopartículas metálicas catalíticas. Se lleva a cabo el crecimiento de CNW utilizando PECVD empleando mezclas de CH4 /H2 /Ar con énfasis en el control de estructura de CNWs. Se informa que los efectos del bombardeo de iones y metales catalíticos en la nucleación de nanografenos verticales para realizar un control activo del espacio intermedio entre paredes adyacentes. Además, la superficie de CNW fue decorada con nanopartículas de Pt por la reducción de ácido cloroplatínico o por la deposición química metal-orgánica empleando fluido supercrítico. También se informa que los rendimientos del sensor de peróxido de hidrógeno, PEFC y GFC,
La última década atestiguó un enorme avance en la investigación del grafeno. El grafeno, un alótropo de carbono en forma de hoja cristalina bidimensional (2D) hibridada con SP2, tiene una combinación especial de propiedades sobresalientes, como excelente resistencia mecánica y elasticidad, movilidad extrema del portador, movilidad de servicio excesiva, conductividad eléctrica y térmica suprema y transmisión óptica excesiva. Estas propiedades, junto con su área de superficie bastante masiva, sin problemas de superficies modificables y estructura sintonizable mediante la incorporación de átomos extraños, hacen que el grafeno sea versátil en diversas áreas de aplicación que van desde dispositivos electrónicos, sensores, catálisis, hasta recolección y almacenamiento de energía. En particular, junto con las crecientes necesidades de dispositivos flexibles, seguros y portátiles,celdas de combustible
El diseño estructural de un electrodo es uno de los factores más esenciales que afectan su cinética de reacción, la capacidad de transporte de masa con electrolito y, posteriormente, el rendimiento de un sistema de conversión o almacenamiento de energía electroquímica. Un enfoque rentable que se ha establecido ampliamente es ensamblar un electrodo estructurado a nanoescala 3D, que permite un transporte de iones y electrones más adecuado, una mayor carga de material activo y una estabilidad mecánica mejorada. Basado en sus propiedades sobresalientes, el grafeno se ha mostrado prometedor como material de construcción para el desarrollo de nuevos electrodos en sistemas electroquímicos. Además, un marco poroso basado en grafeno 3D debe emplearse simultáneamente como la columna vertebral estructural y el colector de vanguardia en un electrodo independiente y sin aglutinante. lo que beneficia la fabricación de dispositivos ligeros y flexibles. De acuerdo con esta estrategia, se han sintetizado y utilizado más de unas pocas estructuras de grafeno 3D para el almacenamiento y la conversión de energía, que se pueden categorizar genuinamente en espumas de grafeno (GF) y matrices de nanoláminas de grafeno alineadas verticalmente (VAGNA).
Recientemente, otro tipo de grafeno 3D, es decir, matrices de nanoláminas de grafeno alineadas verticalmente (VAGNA), ha atraído un interés creciente por su aplicación como electrodos electroquímicos debido a su cinética de reacción óptima y capacidad de transporte de masa a la de los GF. Con un grosor de varias decenas de capas de grafito y carbono, las matrices de nanoláminas de grafeno alineadas verticalmente también se denominan matrices de nanoescamas de carbono o matrices de nanoparedes de carbono en otros lugares. Las matrices de nanoláminas de grafeno alineadas verticalmente normalmente se sintetizan a través de PECVD con fuentes de carbono gaseosas, en las que las nanoláminas de grafeno 2D se cultivan perpendicularmente a los sustratos para construir una forma de matriz ordenada e interconectada en 3D con bordes enriquecidos de láminas de grafeno expuestas. La síntesis se procesa a temperaturas relativamente bajas que oscilan entre 300 y 800 °C, que aprueba más opciones de sustratos para el desarrollo de matrices de nanoláminas de grafeno alineadas verticalmente. Los VAGNA se pueden embellecer fácil y uniformemente con otros materiales energéticos, lo que conduce a una variedad excepcional para su aplicación.
Sobre la base de estas ventajas inherentes, las matrices de nanoláminas de grafeno alineadas verticalmente se han utilizado en campos exclusivos, como sensores de gas, biosensores, electrocatalizadores, emisión de electrones de campo, espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS), EDLC, pseudocondensadores Faradaic, LIB y combustiblecélulas, como se resume en . Recientemente, se han logrado algunos avances necesarios en el desarrollo de matrices de nanoláminas de grafeno alineadas verticalmente y sus compuestos para aplicaciones de electrodos integrados de alta eficiencia en almacenamiento y conversión de energía electroquímica. Se confía en que es oportuno y esencial volver a analizar la búsqueda reciente de este grupo de nanomateriales, en particular con los requisitos cada vez mayores de elementos de almacenamiento de energía en dispositivos flexibles y portátiles emergentes. En contraste con las críticas anteriores en el campo, el trabajo actual enfatiza más el éxito de los VAGNA y los compuestos relacionados en las funciones de electrodos electroquímicos derivadas de sus maravillosos méritos de estructura y propiedades. La morfología y el grado de grafitización también tuvieron influencias esenciales en el rendimiento de los electrodos VAGNA. Se demostró que las nanoláminas de grafeno alineadas verticalmente que crecieron a alta temperatura (≈850 °C) tenían superficies más curvas en comparación con las preparadas a baja temperatura (≈750 °C). Como consecuencia, los VAGNA cultivados a alta temperatura tenían una gran superficie accesible y una mayor densidad de defectos, lo que a su vez condujo a una mayor capacitancia.
El artículo comienza con una breve introducción a los métodos de síntesis y el mecanismo de crecimiento de las matrices de nanoláminas de grafeno alineadas verticalmente, acompañadas de un resumen de las propiedades corporales y químicas de las matrices de nanoláminas de grafeno alineadas verticalmente. Luego, destacamos el desarrollo de última generación de nuevos electrodos de matrices de nanoláminas de grafeno alineados verticalmente y su rendimiento general en las vistas de sus ventajas y desventajas en comparación con otros electrodos 3D basados en grafeno. Por último, hablaremos sobre la tarea y la oportunidad de los VAGNA para el desarrollo similar de nuevas fuentes de energía electroquímica.