Nanopartikler:En enklere vej til hule kulstofkugler

Hul carbon nanopartikler er stærke, lede elektricitet godt og have et bemærkelsesværdigt stort overfladeareal. De viser løfte i applikationer såsom vandfiltrering, brintlagring og batterielektroder - men kommerciel brug vil kræve pålidelig, billige måder til deres produktion.

Xu Li fra Singapores A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og kolleger har udviklet en enkel fremstillingsteknik, der giver præcis kontrol over størrelsen og formen af ​​hule carbon nanosfærer.

En aktuel metode til fremstilling af disse partikler involverer belægning af en hård skabelon, såsom silica nanopartikler, med et kulstofbaseret materiale, der kan smeltes ind i en skal ved hjælp af ekstrem varme. Dette er en besværlig proces, og ætsning af skabelonen kræver hårde kemikalier. Opvarmning af hule polystyren -nanosfærer opnår lignende resultater, men giver dårlig kontrol over størrelsen og formen af ​​de resulterende carbon -nanopartikler.

Li og kolleger kombinerede en blokcopolymer kaldet F127, bestående af poly (ethylenoxid) og poly (propylenoxid), med doughnutformede a-cyclodextrin-molekyler i vand. Efter opvarmning af blandingen til 200 ° C, molekylerne blev selvsamlet til hule nanopartikler med et udbytte på 97,5%.

De vandafvisende poly (propylenoxid) dele af polymeren klæber sammen til dannelse af hule kugler, efterlader poly (ethylenoxid) molekyler dinglende udefra. A-cyclodextrinringene trådes derefter på disse tråde, pakker rundt om ydersiden af ​​kuglen for at danne en stabil skal. Ved at bruge en højere andel af F127 i blandingen producerede større nanosfærer, fra 200 til 400 nanometer i diameter. Opvarmning af disse partikler til 900 ° C i inerte gasser brændte polymeren af ​​for at danne hule carbon -nanopartikler.

De mindste nanosfærer var 122 nanometer på tværs og havde 14 nanometer tykke vægge prikket med små porer, der var cirka 1 nanometer brede. Hvert gram af dette materiale havde et overfladeareal på 317,5 kvadratmeter, som er større end en tennisbane.

Forskerne brugte en opslæmning af partikler til at belægge en kobberfolie og testede den som anoden i et lithium-ion-batteri. De fandt ud af, at partiklerne havde en reversibel opladningskapacitet på 462 milliampere timer pr. Gram - højere end grafit, et typisk anodemateriale - og kunne genoplades mindst 75 gange uden betydeligt tab af ydeevne. Porerne tillader tilsyneladende lithiumioner at migrere til de indvendige overflader af kuglerne. "Ændring af porøsiteten kan forbedre transportprocessen for højere ydeevne, "foreslår Li. Teamet planlægger nu at inkorporere metal- og metaloxidmaterialer i de hule carbon -nanosfærer for yderligere at forbedre deres egenskaber.