Det är utmanande att utveckla funktionella kolnanosfärer med väldefinierad porositet och komplexa nanostrukturer med flera skal. I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Liang Peng och ett forskarlag inom kemi och materialsyntes, i Kina, rapporterade en lamellär micelle spiral självmonteringsstrategi för att bilda mesoporösa kolnanosfärer med flera skal med unik kiralitet. I denna metod introducerade teamet skjuvflöde för att driva spiralens självmontering. Den resulterande självbärande spiralarkitekturen hos de flerskaliga kolnanosfärerna i kombination med deras höga yta och rikliga kväveinnehåll med rikliga mesoporer gav utmärkt elektrokemisk prestanda för kaliumlagring. Den micellstyrda självmonteringen erbjöd en enkel och kraftfull strategi för att inspirera till nanostrukturdesign av funktionella material i framtiden.

Utveckla micellsystemet

Teamet utvecklade multi-shelled carbon nanospheres (MCNs) med unik kiral arkitektur, som involverade skapandet av ett lamellärt Pluronic trimetylbensen (TMB)/dopamin (DA) micellsystem som drivs av skjuvflödet för att kontrollera polymerisationen av prekursorer och intelligent själv -montera till nanosfärer med flera skal. De lamellära micellerna växte spiralformigt och kontinuerligt för att bilda en stabil full sfär. De spiralformade MCN:erna levererade överlägsen hastighetskapacitet och lång cykelstabilitet när de användes som anodmaterial för kaliumjonbatterier. Denna strategi kan öppna en multifunktionell plattform för att konstruera en mängd olika nanostrukturer för applikationer. Peng et al. förberedde MCN med hjälp av en lamellär micelle spiral självmonteringsstrategi med Pluronic-plattformen som en mjuk mall, TMB som det hydrofoba interaktionsmediet och dopamin som kväve- och kolkällan i etanol/vattenblandningen. Till en början, Peng et al. komponerade de lamellära micellerna i systemet genom omrörning vid 300 rpm från reaktionsutveckling. De satte sedan dynamiskt samman de sammansatta micellerna i de mesostrukturerade polydopamin (PDA) nanosfärerna via skjuvflöde. Förkolningen av de frystorkade polydopaminnanosfärerna i kväveatmosfär ledde till bildandet av spiral MCN med intressant kiral arkitektur.

Karakterisering och utveckling av material

Fältemissionsskanningselektronmikroskopbilderna (FESEM) visade att de mesostrukturerade polydopaminnanosfärerna var mycket enhetliga med en genomsnittlig partikelstorlek på 180 nm. Med hjälp av transmissionselektronmikroskopi (TEM) avbildade teamet polydopaminnanosfärerna för att bibehålla en kiral ihålig struktur med flera skal, som de behöll utan kollaps och deformation efter högtemperaturkalcinering. Med hjälp av förstorade TEM-bilder visade teamet tydligt tillväxten av arkitekturen med flera skal och bekräftade 3D-nanostrukturen med flera skal för att visa den typiska amorfa fasen av kolramverket med många strukturella defekter. Med hjälp av elementära kartor, Peng et al. visade sedan den enhetliga fördelningen av kol-, kväve- och syreatomer i varje kolskal. Resultaten indikerade en lamellär mesoporös struktur av materialen, medan röntgenspridningsmönster med små vinklar visade en nanostruktur med flera skal. De studerade sedan också effekten av lösningsmedel på bildandet av spiral-MCN (flerskaliga kolnanosfärer) - medan närvaron av etanol hjälpte till att bilda strukturerna, gjorde överskott av etanol att de blev labila. Dessutom, genom att öka beståndsdelarnas massförhållande, varierade forskarna strukturen på produkter från släta fasta nanosfärer till konstruktioner med tre skal.

Morfologi och struktur hos MCN (flerskaliga kolnanosfärer)

Prekursormängden och omrörningshastigheten påverkade också morfologin och mesostrukturen hos MCN i reaktionssystemet. Genom att öka mängden dopamin har Peng et al. anpassade strukturen för de erhållna produkterna från tunna nanoskivor till en blandning av enkla ihåliga och flerskaliga nanosfärer. Genom att öka dopaminen vidareutvecklade de rena femfaldiga nanosfärer med en fullt utvecklad kiral arkitektur. Resultaten lyfte också fram agitation som en drivkraft för självmontering av nanostrukturer med flera skal. Teamet reglerade morfologin och mesostrukturen för produkterna genom att påverka det hydrofoba och hydrofila förhållandet mellan sampolymermallarna som användes under deras utveckling.

Elektrokemisk prestanda hos konstruktionerna och kaliumjonbatterier

För att utvärdera den elektrokemiska prestandan, Peng et al. använde först cyklisk voltammetri (CV) i spänningsomfånget 0,01 till 3,0 V. Med hjälp av TEM-bilder (transmission elektronmikroskopi) och kväveabsorptionsisotermanalyser visade teamet hur den mesoporösa strukturen med flera skal kunde bibehållas väl efter en långvarig cykel. Vid högre strömtätheter blev fördelarna med de spiralformade flerskalskonstruktionerna mer framträdande. MCN:erna presenterade en attraktiv priskapacitet och imponerande cykelprestanda. För att få ytterligare insikter om det elektrokemiska beteendet hos MCN-elektroden, Peng et al. genomfört kinetik och kvantitativ analys baserad på cykliska voltammetri-tester vid varierande skanningshastigheter. Resultaten avslöjade den gradvisa ökningen av det kapacitiva bidragsförhållandet med ökningen av skanningshastigheten för att demonstrera fördelarna med den flerskalade spiralstrukturen.

Outlook

På detta sätt skapade Liang Peng och kollegor direkt kolstrukturer med flera skal med hjälp av självmontering av blocksampolymer och reglerade rationellt micellstrukturen genom att introducera lämpliga medieringsmedel för att balansera resultatet. De utvecklade enhetliga flerskaliga kolnanosfärer med väldefinierad porositet och unik arkitektur baserad på en lamellär micelle spiral självmonterande metod. Tillvägagångssättet innebar introduktionen av skjuvflöde för att driva de lamellära micellerna kontinuerligt att självmontera till stabila nanosfärer med flera skal. Den micellära strukturen kan ställas in systematiskt genom att reglera förhållandet mellan ytaktiva ämnen för att skapa blomliknande nanosfärer med flera skal. De resulterande MCN:erna levererade utmärkt hastighetskapacitet, oöverträffad kiral arkitektur och långsiktig cyklisk stabilitet för kaliumjonbatterier. Arbetet representerar en multifunktionell plattform för att syntetisera nya nanostrukturer för avancerade applikationer, tillsammans med grundläggande information om micellstyrd självmontering och kemi. + Utforska vidare

Mesoporös struktur förbättrar katalytisk prestanda hos enatomskatalysatorer

© 2021 Science X Network