Empiler trois couches de graphène avec une torsion accélère les réactions électrochimiques

La tricouche peut être meilleure que la bicouche pour la fabrication, améliorant la vitesse et la capacité des dispositifs électrochimiques et électrocatalytiques.

Trois couches de graphène, dans un empilement torsadé, bénéficient d'une conductivité élevée similaire au graphène bicouche « à angle magique », mais avec une fabrication plus facile et un transfert d'électrons plus rapide. Cette découverte pourrait améliorer les dispositifs nano-électrochimiques ou les électrocatalyseurs pour faire progresser le stockage ou la conversion d’énergie.

Le graphène, une seule couche d'atomes de carbone disposés dans un réseau hexagonal, possède des propriétés uniques, notamment une surface élevée, une excellente conductivité électrique, une résistance mécanique et une flexibilité, qui font de ce matériau 2D un candidat sérieux pour augmenter la vitesse et la capacité de stockage d'énergie.

La torsion de deux feuilles de graphène selon un angle de 1,1°, surnommé « angle magique », crée une structure de « bande plate », ce qui signifie que les électrons sur une plage de valeurs de quantité de mouvement ont tous à peu près la même énergie. Pour cette raison, il existe un énorme pic dans la densité d’états, ou dans les niveaux d’énergie disponibles pour les électrons, au niveau d’énergie de la bande plate, ce qui améliore la conductivité électrique.

Des travaux récents ont confirmé expérimentalement que ces bandes plates peuvent être exploitées pour augmenter la réactivité de transfert de charge du graphène bicouche torsadé lorsqu'elles sont associées à un couple redox approprié, un ensemble de produits chimiques souvent utilisés dans le stockage d'énergie pour transporter des électrons entre les électrodes de la batterie.

L'ajout d'une couche supplémentaire de graphène pour produire du graphène tricouche torsadé a entraîné un transfert d'électrons plus rapide que le graphène bicouche, selon un modèle d'activité électrochimique dans une étude récente menée par des chercheurs de l'Université du Michigan.

“Nous avons découvert une réactivité de transfert de charge très flexible et améliorée dans le graphène tricouche torsadé, qui ne se limite pas à des angles de torsion ou des couples redox spécifiques”, a déclaré Venkat Viswanathan, professeur agrégé de génie aérospatial et auteur correspondant de l'étude publiée dans le Journal de l'American Chemical Society.

L'empilement de trois couches de graphène a introduit un angle de torsion supplémentaire, créant des motifs « incommensurables », c'est-à-dire non répétitifs, à des torsions à petit angle, contrairement au graphène bicouche qui forme des motifs répétitifs. Essentiellement, lors de l’ajout d’une troisième couche, les réseaux hexagonaux ne s’alignent pas parfaitement.

À température ambiante, ces motifs non répétitifs présentent une gamme d’angles plus large avec une densité d’états élevée par rapport aux bandes plates, augmentant ainsi la conductivité électrique comparable à celles prédites sous l’angle magique.

“Cette découverte facilite la fabrication, évitant ainsi le défi de garantir l'angle de torsion précis requis par le graphène bicouche”, a déclaré Mohammad Babar, doctorant en génie mécanique et aérospatial et premier auteur de l'étude.

Dans une prochaine étape, les chercheurs prévoient de vérifier ces résultats expérimentalement et potentiellement de découvrir une activité encore plus élevée dans les matériaux 2D torsadés multicouches pour un large éventail de processus électrochimiques tels que les réactions redox et l'électrocatalyse.

“Notre travail ouvre un nouveau champ de cinétique dans les matériaux 2D, capturant les signatures électrochimiques de structures commensurées et incommensurables. Nous pouvons désormais identifier l'équilibre optimal de réactivité de transfert de charge dans le graphène tricouche pour un couple rédox donné”, a déclaré Babar.