Vintræ-lignende CNT-arkitekturer

Vintræstrukturen observeres bredt i naturen, når planten har en vækstvane med at stige eller klatre. Vinstokkene bruger træer til vækst frem for at bruge energi på udvikling af understøttende væv, gør det muligt for vinstokken at nå sollys med en minimal investering af energi. Træerne kan også lette transporten af ​​næringsstoffer. Sådanne hierarkiske vinstokke-strukturer giver synergi mellem vinstokke og træer samt maksimal udnyttelse af solskin og begrænset jord og plads, hvilket også kunne være en lovende universel arkitektur i både makro- og mikroverdener.

Kombinationen af ​​lavdimensionelle nanomaterialer med forskellige fysiske og kemiske egenskaber til tredimensionelle (3D) hierarkiske nanostrukturer er et varmt forskningsemne på grund af fordelene ved hver komponent og foreslår dannelse af avancerede materialer med uventede egenskaber til unikke applikationer. En vintræslignende nanostruktur forventes at have høj effektivitet til adsorption og reaktion af ioner fra elektrolytten samt overførsel af elektroner. Dette kan føre til højtydende elektrodematerialer til energilagringsenheder.

Nyt arbejde af prof. Qiang Zhang og Fei Weis forskningsgruppe i Institut for Kemiteknik ved Tsinghua University (Kina) rapporterer om selvmontering på stedet af vinstoktrælignende nanostrukturer ved hjælp af kulnanorør (CNT'er) som byggestenene kemisk dampaflejring (CVD). Dette arbejde giver også en generel biomimetisk strategi mod design af hierarkiske nanomaterialer med ekstraordinære elektronveje samt afstembar overflade/grænseflade, der kan bruges i områder med katalyse, adskillelse, og energiomdannelse og opbevaring.

Ved at bruge katalysator -nanopartikler (NP'er) med en bimodal størrelsesfordeling under CVD -syntesen, forskere har opnået vinstoktrælignende CNT'er (VT-CNT'er), der er sammensat af vinstoklignende enkeltvæggede CNT'er (SWCNT'er), der vikler rundt om de trælignende flervæggede CNT'er (MWCNT'er). VT-CNT'erne, beskrevet i journalen af Avancerede materialer i bind 26, Udgave 41, Opslag 7051-7058, Udgivet den 5. november, 2014 ('Hierarkiske vinstokke-lignende carbon-nanorørarkitekturer:CVD-selvmontering i situ og deres anvendelse som robuste stilladser til litium-svovlbatterier') kunne tjene som fremragende katodestilladser til højtydende lithium-svovlbatterier.

'Grunden til, at vi vælger CNT'er som modelsystem, skyldes, at CNT'erne er en af ​​de mest typiske lavdimensionelle byggesten i de sidste 25 år.' Qiang Zhang, lektor ved Tsinghua University, fortæller Phys.Org, 'Dannelsen af ​​bimodale katalysatorer NP'er er den vigtigste faktor. Dette skyldes, at størrelsen på katalysator -NP'er spiller en central rolle i CNT'ernes vægnummer og diameter. Katalysator NP'erne med mindre størrelse forventes at katalysere væksten af ​​SWCNT 'vine', mens de større letter væksten af ​​MWCNT 'træet' samtidigt. ' Følgelig, VT-CNT'er sammensat af SWCNT 'vinstokke', der vikler rundt om MWCNT 'træ', kan samles selv under in-situ CVD for kulbrinter.

"Selvsamlingen af ​​den vin-træ-lignende struktur kan tilskrives deres tendens til at minimere grænseflade-adhæsionsenergien mellem SWCNT'er og MWCNT'er." Første forfatter Meng-Qiang Zhao forklarede Phys.Org, "Typisk, SWCNT'erne dannet på små katalysator NP'er vokser altid meget hurtigere end MWCNT'erne vokset på store metal NP'er. Imidlertid, VT-CNT-strukturen heri kan føre til matchning af væksthastigheden for SWCNT 'vine' og MWCNT 'tree'. "De opnåede VT-CNT'er viser et højt specifikt overfladeareal på ~ 650 m ² g ^-1 og et totalt porevolumen på ~ 1,6 cm ³ g ^-1 .

CNT anses for at være et af de mest lovende katodematerialer til Li-S batterier på grund af deres bemærkelsesværdige elektriske ledningsevne og fremragende mekaniske egenskaber. Imidlertid, det lave specifikke overfladeareal ( <200 m ² g ^-1 ) af MWCNT'er begrænser deres evne til at rumme svovl ved høj belastningsmængde og dårlig cykelstabilitet for MWCNT/S -katoderne. I mellemtiden, SWCNT'erne er normalt viklet ind i hinanden, hvilket forringer deres evne til at opbygge effektive ledende netværk. 'VT-CNT'erne forventes at være lovende kandidat til højtydende Li-S katodematerialer.' forklarede Qiang Zhang, 'Sammenlignet med MWCNT'er, de vinlignende SWCNT'er gav en stor mængde porøs struktur og et større overfladeareal til ensartet fysisk absorption og indeslutning af svovl frem for en simpel fysisk belægning af svovl på MWCNT-overfladerne. De trælignende MWCNT'er i VT-CNT'er gengav robuste elektronveje for at sikre en god hastighed. '

En høj kapacitet på 1418 mAh g ^-1 pr. svovl kan opnås på VT-CNT/S-katoderne. En kapacitet på 530 mAh g ^-1 kan stadig bevares, selv efter 450 cyklusser ved en strømtæthed på 1,0 C, med sin oprindelige kapacitet som 832 mAh g ^-1 . En cyklisk fadinghastighed på ca. 0,08 %/cyklus blev opnået. En kapacitet på 997 og 630 mAh g ^-1 kan stadig bevares ved en høj strømtæthed på 3,0 og 4,0 C, henholdsvis.

I fremtiden, forskerne håber på præcist at kontrollere den fine struktur af VT-CNT'er og opnå deres store produktion, samt udforske deres anvendelser inden for katalyseområder, miljøbeskyttelse, nanokompositter, og elektroniske apparater. 'Konceptet med vin-trælignende nanostrukturer er ikke begrænset til CNT'er.' sagde prof. Zhang, 'Fremstilling af vinstoktrælignende nanostrukturer ved hjælp af andre endimensionelle byggesten er forudset, mod avancerede materialer med fremragende egenskaber og præstationer. "