Hierarkiska vinträdliknande kol-nanorörsarkitekturer bestående av vinstockliknande enväggiga kolnanorör som omsluter de trädliknande flerväggiga kolnanorören tillverkas genom självmontering av kemiska ångor på plats. De vinträdliknande nanoarchitecturesna uppvisar utmärkt cykelstabilitet och hastighetsprestanda när de används som katodställningar för litium-svavelbatterier.
Vinträdstrukturen observeras allmänt i naturen när växten har en tillväxtvana att släpa eller klättra på stjälkar. Vinstockarna använder träd för tillväxt snarare än att ägna energi åt utveckling av stödjande vävnad, gör det möjligt för vinstocken att nå solljus med en minimal investering av energi. Träden kan också underlätta transporten av näringsämnen. Sådana hierarkiska vinstockstrukturer erbjuder synergi mellan vinstockarna och träden samt maximalt utnyttjande av solsken och begränsad mark och utrymme, vilket också kan vara en lovande universell arkitektur i både makro- och mikrovärldar.
Kombinationen av lågdimensionella nanomaterial med distinkta fysikaliska och kemiska egenskaper till tredimensionella (3D) hierarkiska nanostrukturer är ett hett forskningsämne på grund av fördelarna med varje komponent och föreslår bildandet av avancerade material med oväntade egenskaper för unika applikationer. En vinstock-liknande nanostruktur förväntas ha hög effektivitet för adsorption och reaktion av joner från elektrolyten samt överföring av elektroner. Detta kan leda till högpresterande elektrodmaterial för energilagringsenheter.
Nytt arbete av professor Qiang Zhang och Fei Weis forskargrupp vid Institutionen för kemiteknik vid Tsinghua University (Kina) rapporterar om självmontering på plats av vinstockträdliknande nanostrukturer med kolnanorör (CNT) som byggstenar av kemisk ångavsättning (CVD). Detta arbete ger också en allmän biomimetisk strategi för utformning av hierarkiska nanomaterial med extraordinära elektronvägar samt avstämbar yta/gränssnitt som kan användas inom katalysområden, separation, och energiomvandling och lagring.
Genom att använda katalysator -nanopartiklar (NP) med en bimodal storleksfördelning under CVD -syntesen, forskare har erhållit vinstocksträdliknande CNT (VT-CNT) som består av vinliknande enkelväggiga CNT (SWCNT) som sveper runt de trädliknande flerväggiga CNT (MWCNT). VT-CNT, beskrivs i tidskriften för Avancerade material i volym 26, Utgåva 41, Sida 7051-7058, Publicerad den 5 november, 2014 ('Hierarkiska Vine-Tree-Like Carbon Nanotube Architectures:In-Situ CVD Self-Assembly och deras användning som robusta ställningar för litium-svavelbatterier') kan fungera som utmärkta katodställningar för högpresterande litium-svavelbatterier.
"Anledningen till att vi väljer CNT som modellsystem beror på att CNT är en av de mest typiska lågdimensionella byggstenarna under de senaste 25 åren." Qiang Zhang, docent vid Tsinghua University, berättar för Phys.Org, 'Bildandet av bimodala katalysator -NP är den viktigaste faktorn. Detta beror på att storleken på katalysator -NP:er spelar en nyckelroll i väggnumret och diametern på CNT:erna. Katalysatorns NP med mindre storlek förväntas katalysera tillväxten av SWCNT 'vinstockar' medan de större underlättar tillväxten av MWCNT 'trädet' samtidigt. ' Följaktligen, VT-CNT som består av SWCNT "vinstockar" som lindas runt MWCNT "träd" kan monteras själv under in-situ CVD för kolväten.
"Självmonteringen av den vinstockliknande strukturen kan tillskrivas deras tendens att minimera gränsyteadhesionsenergin mellan SWCNT och MWCNT." författaren Meng-Qiang Zhao förklarade för Phys.Org, "Vanligtvis, SWCNT:erna som bildas på små katalysator -NP växer alltid mycket snabbare än MWCNT:erna som odlas på stora metall -NP:er. Dock, VT-CNT-strukturen häri kan leda till matchning av tillväxttakten för SWCNT "vinstockar" och MWCNT "träd". "De erhållna VT-CNT:erna visar en hög specifik yta på ~ 650 m 2 g -1 och en total porvolym på ~ 1,6 cm 3 g -1 .
CNT anses vara ett av de mest lovande katodmaterialen för Li-S-batterier på grund av deras anmärkningsvärda elektriska konduktivitet och utmärkta mekaniska egenskaper. Dock, den låga specifika ytarean ( <200 m 2 g -1 ) av MWCNT begränsar deras förmåga att rymma svavel vid hög belastningsmängd och dålig cykelstabilitet för MWCNT/S -katoderna. Under tiden, SWCNT är vanligtvis sammanfiltrade med varandra, vilket försämrar deras förmåga att bygga effektiva ledande nät. 'VT-CNT förväntas vara en lovande kandidat för högpresterande Li-S-katodmaterial.' förklarade Qiang Zhang, 'Jämfört med MWCNT, de vinstockliknande SWCNT:erna gav stor mängd porös struktur och högre ytarea för enhetlig fysisk absorption och inneslutning av svavel snarare än en enkel fysisk beläggning av svavel på MWCNT-ytorna. De trädliknande MWCNT-värdena i VT-CNT ger robusta elektronvägar för att säkerställa en bra hastighet. '
En hög kapacitet på 1418 mAh g -1 per svavel kan uppnås på VT-CNT/S-katoderna. En kapacitet på 530 mAh g -1 kan fortfarande behållas även efter 450 cykler vid en strömtäthet av 1,0 C, med sin initiala kapacitet som 832 mAh g -1 . En cyklisk blekningshastighet på ca. 0,08 %/cykel uppnåddes. En kapacitet på 997 och 630 mAh g -1 kan fortfarande bevaras vid en hög strömtäthet på 3,0 och 4,0 C, respektive.
I framtiden, forskarna hoppas att exakt kunna styra den fina strukturen hos VT-CNT och uppnå sin storskaliga produktion, samt utforska deras tillämpningar inom katalysområdet, miljöskydd, nanokompositer, och elektroniska apparater. 'Konceptet med vinsträd-liknande nanostrukturer är inte begränsat till CNT.' sade professor Zhang, 'Tillverkning av vinstocksträdliknande nanostrukturer med andra endimensionella byggstenar förutses, mot avancerade material med enastående egenskaper och prestanda. "
