En kolfiber täckt med en pigg skog av NiCoHC nanotrådar. Upphovsman:Creative Commons Attribution 4.0 International License, 2018 KAUST
Genom att kombinera flera nanomaterial till en enda struktur, forskare kan skapa hybridmaterial som innehåller de bästa egenskaperna för varje komponent och överträffar varje enskilt ämne. En kontrollerad metod för att göra trelagiga ihåliga nanostrukturer har nu utvecklats på KAUST. Hybridstrukturerna består av en ledande organisk kärna inklämd mellan lager av elektrokatalytiskt aktiva metaller:deras möjliga användningsområden sträcker sig från bättre batterielektroder till förnybar bränsleproduktion.
Även om det finns flera metoder för att skapa tvåskiktsmaterial, att göra treskiktsstrukturer har visat sig mycket svårare, säger Peng Wang från centret för avsaltning av vatten och återanvändning som ledde den aktuella forskningen med professor Yu Han, medlem i Advanced Membranes and Porous Materials Center på KAUST. Forskarna utvecklade en ny, strategi med två mallar, förklarar Sifei Zhuo, en postdoktor i Wangs team.
Forskarna odlade sitt hybridnanomaterial direkt på kolpapper - en matta av elektriskt ledande kolfibrer. De producerade först en strös skog av nickelkobolthydroxylkarbonat (NiCoHC) nanotrådar på ytan av varje kolfiber (bild 1). Varje liten oorganisk borst täcktes med ett organiskt lager som kallades vätesubstituerad grafdiyne (HsGDY) (bild 2).
Därefter var det viktiga steget med två mallar. När laget tillsatte en kemisk blandning som reagerar med den inre NiCoHC, HsGDY fungerade som en partiell barriär. Några nickel- och koboltjoner från det inre lagret sprids utåt, där de reagerade med tiomolybdat från den omgivande lösningen för att bilda det yttre nickel-, kobolt-sam-dopad MoS 2 (Ni, Co-MoS 2 ) lager. Under tiden, några svaveljoner från de tillsatta kemikalierna diffunderade inåt för att reagera med kvarvarande nickel och kobolt. Den resulterande substansen (bild 3) hade strukturen Co 9 S 8 , Ni 3 S 2 @HsGDY@Ni, Co-MoS 2 , i vilket det ledande organiska HsGDY -skiktet är inklämt mellan två oorganiska lager (bild 4).
Närbilder på nanotrådarna bekräftar att de har täckts med ett tunt organiskt lager. Upphovsman:Creative Commons Attribution 4.0 International License, 2018 KAUST
Trelagermaterialet visade god prestanda vid elektrokatalytiskt brytning av vattenmolekyler för att generera väte, ett potentiellt förnybart bränsle. Forskarna skapade också andra material i tre lager med hjälp av metoden med dubbla mallar
"Dessa tredelade nanostrukturer har stor potential inom energiomvandling och lagring, "säger Zhuo." Vi tror att den kan förlängas för att fungera som en lovande elektrod i många elektrokemiska tillämpningar, som i superkondensatorer och natrium-/litiumjonbatterier, och för användning vid avsaltning av vatten. "
De färdiga nanotrådarna i tre lager. Upphovsman:Creative Commons Attribution 4.0 International License, 2018 KAUST
Elementär kartläggning bekräftat svavel (gul), nickel (grön) kobolt (röd) och molybden (blå) bildade de inre och yttre skikten, smörgås med ett organiskt lager rikt på kol (rosa). Kredit:King Abdullah University of Science and Technology
