日本东北大学和清华大学的研究人员共同展示了下一代模型膜电极，这有望彻底改变基础电化学研究。 这种通过精细工艺制造的创新电极在纳米多孔膜内展示了有序排列的空心巨型碳纳米管 (gCNT)，为储能和电化学研究开辟了新的可能性。

研究人员开发了一种突破性的模型膜电极，其特点是在纳米多孔膜内排列有序的空心巨型碳纳米管 (gCNT) 阵列。 这种新型电极是通过在阳极氧化铝 (AAO) 上开发一种均匀的碳涂层技术而构建的，从而产生具有不同尺寸纳米孔的垂直排列的 gCNT。 该模型旨在最大限度地减少接触电阻并增强对电化学行为的理解。

关键的突破在于这种新型电极的构建。 研究人员在铝基板上形成的阳极氧化铝 (AAO) 上开发了一种均匀的碳涂层技术，消除了阻挡层。 由此产生的共形碳涂层显示垂直排列的 gCNT，纳米孔的直径范围为 10 至 200 nm，长度为 2 μm 至 90 μm，覆盖小的电解质分子到生物相关的大物质，如酶和外泌体。 与传统的复合电极不同，这种独立的模型电极消除了颗粒间的接触，确保接触电阻最小——这对于解释相应的电化学行为至关重要。

模型膜电极显示出对孔径的广泛可控性。 图片来源：刘宏宇

“这种模型电极的潜力是巨大的，”该研究的通讯作者之一潘正泽博士说。 “通过使用具有广泛纳米孔尺寸范围的模型膜电极，我们可以深入了解多孔碳电极内发生的复杂电化学过程，以及它们与纳米孔尺寸的内在相关性。”

此外，gCNT 由低结晶堆叠石墨烯片组成，在低结晶碳壁内提供无与伦比的导电性。 通过实验测量和内部程序升温解吸系统的利用，研究人员构建了低结晶碳壁的原子级结构模型，从而能够进行详细的理论模拟。 为这项研究进行模拟部分的 Alex Aziz 博士指出，“我们的高级模拟提供了一个独特的镜头来估计无定形碳内的电子跃迁，揭示了控制其电行为的复杂机制。”

该项目由高级材料研究所 (WPI-AIMR) 设备/系统组首席研究员 Hirotomo Nishihara 教授领导。 这些发现在材料科学的顶级期刊之一《高级功能材料》中有详细介绍。

最终，这项研究代表了我们在理解非晶基多孔碳材料及其在探索各种电化学系统中的应用方面向前迈出了重要一步。