Förbi på plats kvävedopning och strukturell hybridisering av kolnanorör (CNT) och grafen via en tvåstegs kemisk ångdeposition (CVD), forskare har tillverkat kvävedopade upplinjerade kolnanorör/grafen (N-ACNT/G) smörgåsar med tredimensionella (3D) elektronöverföringsvägar, sammankopplade jondiiffusionskanaler, och förbättrad gränssnittsaffinitet och aktivitet. De tillverkade N-ACNT/G smörgåsarna, beskrivs i journalen Avancerade material den 17 september 2014, visade högpresterande prestanda i litium-svavel (Li-S) batterier.

CNT och grafen, den mest markerade sp ² -bundna kolnanomaterial under de senaste decennierna, har väckt enorm uppmärksamhet inom området energilagring, heterogen katalys, sjukvård, miljöskydd, såväl som nanokompositer, som inte bara är starkt beroende av sina överlägsna fysiska egenskaper, såsom mekanisk styrka, elektrisk och värmeledningsförmåga, men också på deras avstämbara kemiska karaktärer, såsom funktionella grupper, doping, och ytmodifiering. Dock, det heteroatominnehållande nanokolet tenderar att aggregera på grund av starka van der Waals-interaktioner och explosion av stor yta, därigenom ständigt begränsa demonstrationen av deras inneboende fysikaliska egenskaper och prestanda i färdiga material och praktiska anordningar.

Kombinationen av CNT och grafen till 3D-hybridkompositer kan vanligtvis mildra självaggregering och omstapling av nanokolmaterial och även förstärka fysikaliska egenskaper i makroskala. Tills nu, flera strategier har utforskats för att tillverka sådana CNTs/grafenhybrider, inklusive metoder efter organisation och tillväxt på plats, medan integration av högkvalitativa CNT och grafen utan barriärlager fortfarande är svår.

Ett team från Tsinghua University (Kina), ledd av Prof. Qiang Zhang och Fei Wei har nu framgångsrikt tillverkat sandwichliknande N-ACNT/G hybrider via en tvåstegs katalytisk tillväxt på bifunktionella naturmaterial. Justerade CNT:er interkalerades först i mellanskiktsutrymmena i den skiktade katalysatorn inbäddade med metallnanopartiklar (NP) genom en lågtemperatur (L-T) CVD, och grafen deponerades sekventiellt på ytan av lamellära flingor vid botten av inriktade CNTs genom en högtemperatur (H-T) CVD. NH3 introducerades samtidigt under CVD-tillväxten för inkorporering av kväveatomer i kolramverket. Efter avlägsnande av katalysator, alternativa inriktade CNT:er och grafen var vertikalt förbundna med varandra i långdistansperiodicitet, och bildar därigenom en sandwichliknande struktur.

"Nyckelfrågan för tillverkningen av den nya N-ACNT/G-arkitekturen är att de högkvalitativa justerade CNT:erna och grafenen odlades på NP:erna och lamellära flingorna vid L- och H-T CVD, respektive och tillsammans." förklarade förstaförfattaren Cheng Tang för Phys.Org, ''Vari, den sömlösa anslutningen av högkvalitativa inriktade CNT:er och grafen gav 3D-elektronöverföringsvägar och sammankopplade jondiffusionskanaler. Också, kvävedopningen inducerade måttlig kemisk modulering till kolramverket, varigenom gränsytaffiniteten och den elektrokemiska aktiviteten förbättrades."

En av de mest lovande kandidaterna för nästa generations kraftkällor, Li-S batteri är med mycket hög teoretisk energitäthet på 2600 Wh kg ^-1 , naturligt överflöd av element svavel, och miljövänlig också. "Vi försöker förbättra de cykliska och hastighetsmässiga prestanda för Li-S-batterier för praktisk tillämpning med N-ACNT/G-hybrider som katodmaterial." sa prof. Wei. En hög initial reversibel kapacitet på 1152 mAh g ^-1 kan vara tillgänglig vid 1,0 C, bibehålla ca. 880 mAh g ^-1 efter 80 cykler, vilket var cirka 65 % högre än det för suljusterade CNT. Även vid en hög strömtäthet på 5,0 C, en reversibel kapacitet på ca. 770 mAh g ^-1 kan uppnås.

"Den anmärkningsvärda cykelkapaciteten och hastighetskapaciteten kan tillskrivas de nya strukturella och kemiska egenskaperna hos N-ACNT/G smörgåsarna", Prof. Zhang utvecklade, "Den sömlösa förbindelsen mellan CVD-odlade inriktade CNT:er och grafen ger snabb elektronöverföring och mekanisk robusthet. Det 3D-sammankopplade mesoporösa utrymmet förbättrar penetration och diffusion av elektrolyter. Dessutom, de kvävemodifierade gränssnitten ger upphov till förbättrad gränsyteaffinitet för effektiv inneslutning och utnyttjande av svavel och polysulfider."

"Det förväntas starkt att N-ACNT/G-smörgåsarna har olika potentiella tillämpningar inom området nanokomposit, energilagring, miljöskydd, elektronisk anordning, samt sjukvård, på grund av deras robusta hierarkiska struktur, 3D-elektronöverföringsvägar och jondiiffusionskanaler, och förbättrad gränssnittsaffinitet och aktivitet också." Prof. Zhang sa, "Eftersom en sådan design- och tillverkningsstrategi är allmänt tillämplig, vi förutser en ny gren av materialkemi som utvecklas inom området avancerade hierarkiska nanostrukturer genom de 3D-topologiska nanosystemen och gränssnittsmodifiering."