[論文レビュー] Nanoconfined, dynamic electrolyte gating and memory effects in multilayered graphene-based membranes

Jing Xiao, Hualin Zhan+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2019

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 64被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、グラフェンシート間のナノコンフィンド電解質を活用することで、多層グラフェンベース膜における動的電解質ゲーティングを実証した。これにより、イオンおよび電子的ダイナミクスのリアルタイム電気的制御が可能になった。研究では、スーパーキャパシタにおいて持続的イオンメモリ効果が明らかとなり、充電メカニズムに関する新たな知見が得られ、新規ナノイオンデバイスの実現に道を拓いた。

ABSTRACT

Multilayered graphene-based nanoporous membranes with electrolyte incorporated between individual sheets is a unique nano-heterostructure system in which nanoconfined electrons in graphene and ions confined in between sheets are intimately coupled throughout the entire membrane. In contrast to the general notion that the electrolyte gating is unlikely to appear in multilayered graphene stacks, it is demonstrated in this work that the electrolyte gating effect in monolayer graphene can be transferred to its corresponding multilayered porous membranes. This gating effect presented on each individual graphene sheets through electrolyte confined in nanopores provides a real-time, electrical approach for probing the complex dynamics of nanoconfined electrical double layer. This has enabled the observation of the ionic memory effect in supercapacitors and produces new insights into the charging dynamics of supercapacitors. Such discoveries may stimulate the design of novel nanoionic devices.

研究の動機と目的

• 従来の見解とは対照的に、直接的な電気的接触がないにもかかわらず、多層グラフェンベースのナノポーラス膜において電解質ゲーティングが可能かどうかを検証すること。
• グラフェン内のナノコンフィンド電子と、層間ナノポーラスに閉じ込められたイオンとの結合を調査すること。
• 電気ゲーティング手法を用いて、ナノコンフィンド電気二重層の複雑なダイナミクスを解明すること。
• これらの膜を基盤とするスーパーキャパシタに類似した系において、イオンメモリ効果を観察および特徴づけること。
• 充電ダイナミクスに関する基礎的知見を活用して、高度なナノイオンデバイスの新たな設計原理を確立すること。

提案手法

• 個々のグラフェンシートの間に電解質をイオン化させた多層グラフェンベースのナノポーラス膜を製作した。
• 膜に外部電圧を印加することで、個々のグラフェン層を横断する動的電解質ゲーティングを誘発した。
• イオンおよび電子的輸送特性のリアルタイム変化をモニタリングするために、電気的測定を実施した。
• サブナノメートルの層間空間における電気二重層のダイナミクスを解明するために、ナノコンフィンド電気化学的手法を用いた。
• 充電および放電サイクル中のイオン的電荷分布の時間的変化を分析し、メモリ効果を検出した。
• 明確に定義されたヘテロ構造内で、イオンおよび電子の2次元的コンフィンドの独自性を活用して、それらの結合した挙動を研究した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接的な電気的接触が存在しないにもかかわらず、多層グラフェンスタックにおいて電解質ゲーティングが効果的に実現可能かどうか。
• RQ2 グラフェン膜の層間空間において、ナノコンフィンドされたイオンと電子がどのように動的に相互作用するか。
• RQ3 これらの膜を基盤とするスーパーキャパシタの充電ダイナミクスにおいて、イオンメモリが果たす役割は何か。
• RQ4 電気ゲーティングを用いることで、ナノコンフィンド電気二重層のリアルタイム挙動をどの程度まで解明できるか。
• RQ5 観察されたイオンメモリ効果を、新規ナノイオンデバイスの応用に活用できるか。

主な発見

• 電解質ゲーティングが単層から多層グラフェン膜へと成功裏に拡張され、イオンおよび電子的輸送の電気的チューニングが実証された。
• ナノコンフィンド電解質が個々のグラフェンシートに動的ゲーティング効果を誘発し、層間のイオン的ダイナミクスのリアルタイム電気的制御が可能になった。
• 充電および放電サイクル中に、持続的イオンメモリ効果が観察され、ナノポーラスに閉じ込められた状態での非平衡イオン挙動が示された。
• イオンメモリ効果は、サブナノメートルの層間空間内での遅いイオン緩和および構造的再配列に起因するとされた。
• 閉じ込められた電子とイオンの結合が、古典的モデルでは予測できない複雑で非線形な充電ダイナミクスを生じさせた。
• これらの発見は、ナノコンフィンドイオン的および電子的現象に基づくエネルギー貯蔵およびセンシングデバイスの設計に新たな道を拓いた。