Genom att introducera ett stort antal utsprång på grafenskikt under syntes av kemisk ångdeposition (CVD), forskare har tillverkat i sig ostaplad dubbelskiktsgrafen med en hög specifik yta, utmärkt elektrisk ledningsförmåga, och mesoporös struktur. Den ostaplade grafenen med dubbla lager, beskrivs i journalen Naturkommunikation , kan vara utmärkta katodmaterial för högeffekts litium-svavelbatterier.
Grafen är ett lovande funktionsmaterial för en mängd olika applikationer inklusive energilagring på grund av dess extraordinära elektriska och mekaniska egenskaper. Dock, grafenskikt tenderar att staplas med varandra på grund av deras enorma yta och starka π-π-interaktioner mellan flerskiktsgrafen med ett mellanskiktsavstånd på ca. 0,334 nm. Denna stapling resulterar i en mycket mindre yta av den erhållna grafenen, med dålig energilagringsprestanda. Det är nödvändigt att undvika stapling för att förstärka grafenens inneboende egenskaper och underlätta praktisk tillämpning.
Forskare har utforskat många nya metoder för att hämma staplingen av grafen. De flesta av dem är baserade på införandet av distanser som metalloxider, ledande polymerer, kolsvart, eller kolnanorör in i mellanskiktsutrymmena. Dock, sådana hybridiseringsprocesser orsakar oundvikligen förändringar i grafens inneboende egenskaper och/eller inducerar dåliga gränssnitt.
Forskare vid Tsinghua University (Kina) har nu framgångsrikt tillverkat i sig ostaplad dubbelskiktsgrafen genom mallstyrd CVD. Ett team ledd av prof. Qiang Zhang och Fei Wei utforskade idén att använda mesoporösa nanoflingor som mall. Grafenskikten deponeras på den mesoporösa mallen och gjuts in i dess mesoporösa struktur, där kolatomerna som avsatts i mesoporerna bildar grafenutsprången och fungerar som distanser för att förhindra stapling av grafenskikten som avsatts på båda sidor av de mesoporösa flingorna. Följaktligen, mallgrafen med dubbelt lager bestående av två grafenlager med ett stort antal utsprång kan återvinnas efter avlägsnande av mesoporösa flingor.
"Närvaron av ett stort antal mesoporer i nanoflakemallen ger upphov till utbuktningar med en hög densitet på ca 5,8 × 10 14 m -2 och storlekar varierade från 2 till 7 nm mellan grafenlager, " Förstaförfattaren Meng-Qiang Zhao säger till Phys.org. "Utskotten spelar en viktig roll för att förhindra stapling av grafenlager. Förutom, Närvaron av sådana utsprång på grafenytan kan försvaga π-π-interaktionerna mellan grafenskikten och på så sätt förhindra staplingen av angränsande dubbelskiktsmallgrafen i viss utsträckning." dubbelskiktsgrafenen visar en hög specifik yta på 1628 m 2 g-1, rikliga mesoporer med storleken från 2 till 7 nm, och en total porvolym av 2,0 cm 3 g -1 .
Litium-svavelbatterier är en av de mest lovande energilagringsteknikerna på grund av hög energitäthet. Dock, deras krafttäthet och dåliga cykelstabilitet har alltid varit ett viktigt hinder för deras praktiska tillämpning. När man använder det ostaplade dubbelskiktsgrafenet som katodmaterial, forskare kunde tillverka litium-svavelbatterier med utmärkt prestanda med hög effekt. Höga reversibla kapaciteter på 1034 och 734 mA h g -1 uppnåddes vid höga urladdningshastigheter på 5 och 10 C, respektive. Även efter 1000 cykler, höga reversibla kapaciteter på ca. 530 och 380 mA h g -1 hölls vid 5 och 10 C, med coulombiska effektivitetskonstanter vid ca. 96 och 98 %, respektive.
"Den utmärkta högeffektprestandan kan tillskrivas den extraordinära elektriska ledningsförmågan och den unika mesoporösa strukturen hos den ostaplade dubbelskiktsgrafenen, " Prof. Zhang förklarade. Den ostaplade dubbelskiktsgrafenens unika porösa struktur möjliggör effektiv lagring av svavel i det mesosiserade lamellära mellanskiktsutrymmet, vilket ger upphov till en effektiv koppling mellan svavlet och grafen och förhindrar diffusion av polysulfider in i elektrolyten. Följaktligen, en utmärkt högeffektprestanda hos litium-svavelcellerna med hög kapacitet och god stabilitet uppnås.
"Vi förväntar oss att de ostaplade grafenmaterialen med dubbla lager har potential i tillämpningar för miljöskydd, nanokompositer, elektroniska apparater, och personlig hälsovård på grund av deras inneboende stora yta, extraordinär termisk och elektrisk ledningsförmåga, robust 3D-ställning, avstämbar ytkemi, och biokompatibelt gränssnitt, " sa prof. Zhang, "Eftersom ostaplade skiktade nanostrukturer inte är begränsade till grafen, vi förutser en ny gren av kemi som utvecklas i stabiliseringen av nanostrukturer genom 3D topologiska porösa system."
