日本東北大學和清華大學的研究人員共同展示了下一代模型膜電極，這有望徹底改變基礎電化學研究。這種通過精細工藝製造的創新電極在納米多孔膜內展示了有序排列的空心巨型碳納米管(gCNT)，為儲能和電化學研究開闢了新的可能性。

研究人員開發了一種突破性的模型膜電極，其特點是在納米多孔膜內排列有序的空心巨型碳納米管(gCNT) 陣列。這種新型電極是通過在陽極氧化鋁(AAO) 上開發一種均勻的碳塗層技術而構建的，從而產生具有不同尺寸納米孔的垂直排列的gCNT。該模型旨在最大限度地減少接觸電阻並增強對電化學行為的理解。

關鍵的突破在於這種新型電極的構建。研究人員在鋁基板上形成的陽極氧化鋁(AAO) 上開發了一種均勻的碳塗層技術，消除了阻擋層。由此產生的共形碳塗層顯示垂直排列的gCNT，納米孔的直徑範圍為10 至200 nm，長度為2 μm 至90 μm，覆蓋小的電解質分子到生物相關的大物質，如酶和外泌體。與傳統的複合電極不同，這種獨立的模型電極消除了顆粒間的接觸，確保接觸電阻最小——這對於解釋相應的電化學行為至關重要。

模型膜電極顯示出對孔徑的廣泛可控性。圖片來源：劉宏宇

“這種模型電極的潛力是巨大的，”該研究的通訊作者之一潘正澤博士說。“通過使用具有廣泛納米孔尺寸範圍的模型膜電極，我們可以深入了解多孔碳電極內發生的複雜電化學過程，以及它們與納米孔尺寸的內在相關性。”

此外，gCNT 由低結晶堆疊石墨烯片組成，在低結晶碳壁內提供無與倫比的導電性。通過實驗測量和內部程序升溫解吸系統的利用，研究人員構建了低結晶碳壁的原子級結構模型，從而能夠進行詳細的理論模擬。為這項研究進行模擬部分的Alex Aziz 博士指出，“我們的高級模擬提供了一個獨特的鏡頭來估計無定形碳內的電子躍遷，揭示了控制其電行為的複雜機制。”

該項目由高級材料研究所(WPI-AIMR) 設備/系統組首席研究員Hirotomo Nishihara 教授領導。這些發現在材料科學的頂級期刊之一《高級功能材料》中有詳細介紹。

最終，這項研究代表了我們在理解非晶基多孔碳材料及其在探索各種電化學系統中的應用方面向前邁出了重要一步。