Justerede carbon nanorør / grafen sandwich

Ved in situ nitrogen-doping og strukturel hybridisering af kulstofnanorør (CNT'er) og grafen via en to-trins kemisk dampaflejring (CVD), Forskere har fremstillet nitrogen-doterede carbon nanorør/grafen (N-ACNT/G) sandwich med tredimensionelle (3D) elektronoverførselsveje, indbyrdes forbundne iondiffusionskanaler, og forbedret grænsefladeaffinitet og aktivitet. De som fabrikerede N-ACNT/G sandwich, beskrevet i journalen Avancerede materialer den 17. september 2014, demonstreret høj ydelse i lithium-svovl (Li-S) batterier.

CNT'er og grafen, den mest fremhævede sp ² -bundne kulstof nanomaterialer gennem de seneste årtier, har tiltrukket sig enorm opmærksomhed inden for energilagring, heterogen katalyse, sundhedspleje, miljøbeskyttelse, samt nanokompositter, som ikke kun er stærkt afhængige af deres overlegne fysiske egenskaber, såsom mekanisk styrke, elektrisk og termisk ledningsevne, men også på deres afstembare kemiske karakterer, såsom funktionelle grupper, doping, og overflademodifikation. Imidlertid, det heteroatomholdige nanocarbon har en tendens til at aggregere på grund af stærke van der Waals-interaktioner og eksplosion af store overfladearealer, derved konstant begrænse demonstrationen af ​​deres iboende fysiske egenskaber og ydeevner i færdige materialer og praktiske anordninger.

Kombinationen af ​​CNT'er og grafen til 3D-hybridkompositter kan normalt afbøde selvaggregering og genstabling af nanocarbonmaterialer og også forstærke fysiske egenskaber i makroskala. Indtil nu, flere strategier er blevet undersøgt for at fremstille sådanne CNT'er/grafenhybrider, herunder post-organisation metoder og in situ vækst, mens integration af højkvalitets CNT'er og grafen uden barrierelag stadig er vanskelig.

Et team fra Tsinghua University (Kina), ledet af prof. Qiang Zhang og Fei Wei har nu med succes fremstillet sandwich-lignende N-ACNT/G hybrider via en to-trins katalytisk vækst på bifunktionelle naturlige materialer. Justerede CNT'er blev først interkaleret i mellemlagsrummene i den lagdelte katalysator indlejret med metalnanopartikler (NP'er) gennem en lavtemperatur (LT) CVD, og grafen blev deponeret sekventielt på overfladen af ​​lamelflager i bunden af ​​justerede CNT'er gennem en højtemperatur (H-T) CVD. NH3 blev samtidig introduceret under CVD-væksten til inkorporering af nitrogenatomer i kulstoframmerne. Efter fjernelse af katalysator, alternative justerede CNT'er og grafen var lodret forbundet med hinanden i lang rækkevidde periodicitet, derved dannes en sandwich-lignende struktur.

"Nøglespørgsmålet for fremstillingen af ​​den nye N-ACNT/G-arkitektur er, at de højkvalitets justerede CNT'er og grafen blev dyrket på NP'erne og lamelflager ved L- og H-T CVD, henholdsvis og i fællesskab." forklarede førsteforfatter Cheng Tang til Phys.Org, ''Derved, den sømløse forbindelse af højkvalitets justerede CNT'er og grafen gav 3D elektronoverførselsveje og indbyrdes forbundne iondiffusionskanaler. Også, nitrogendopingen inducerede moderat kemisk modulering til kulstoframmen, hvorved grænsefladeaffiniteten og den elektrokemiske aktivitet forbedres."

En af de mest lovende kandidater til næste generations strømkilder, Li-S batteri er med meget høj teoretisk energitæthed på 2600 Wh kg ^-1 , naturlig overflod af grundstof svovl, og miljøvenlig også. "Vi forsøger at forbedre den cykliske og rate ydeevne af Li-S batterier til praktisk anvendelse med N-ACNT/G hybriderne som katode materialer." sagde prof. Wei. En høj initial reversibel kapacitet på 1152 mAh g ^-1 kan fås ved 1,0 C, vedligeholde ca. 880 mAh g ^-1 efter 80 cyklusser, hvilket var ca. 65 % højere end det for eneste-alignede CNT'er. Selv ved en høj strømtæthed på 5,0 C, en reversibel kapacitet på ca. 770 mAh g ^-1 kan opnås.

"Den bemærkelsesværdige cykelkapacitet og hastighedsevne kan tilskrives de nye strukturelle og kemiske egenskaber ved N-ACNT/G-sandwichene", Prof. Zhang uddybede, "Den sømløse forbindelse mellem CVD-dyrkede justerede CNT'er og grafen giver hurtig elektronoverførsel og mekanisk robusthed. Det 3D-sammenkoblede mesoporøse rum forbedrer indtrængning og diffusion af elektrolytter. Derudover, de nitrogenmodificerede grænseflader giver anledning til øget grænsefladeaffinitet for effektiv indeslutning og udnyttelse af svovl og polysulfider."

"Det forventes stærkt, at N-ACNT/G-sandwichene har forskellige potentielle anvendelser inden for nanokomposit, energilagring, miljøbeskyttelse, Elektronisk apparat, samt sundhedsvæsenet, på grund af deres robuste hierarkiske struktur, 3D elektronoverførselsveje og iondiffusionskanaler, og forbedret grænsefladeaffinitet og aktivitet også." Prof. Zhang sagde, "Fordi en sådan design- og fremstillingsstrategi er generelt anvendelig, vi forudser en ny gren af ​​materialekemi, der udvikler sig inden for området avancerede hierarkiske nanostrukturer gennem de 3D topologiske nanosystemer og grænseflademodifikation."