Door ter plaatse stikstofdoping en structurele hybridisatie van koolstofnanobuisjes (CNT's) en grafeen via een tweestaps chemische dampafzetting (CVD), wetenschappers hebben met stikstof gedoteerde uitgelijnde koolstof nanobuis / grafeen (N-ACNT / G) sandwiches gefabriceerd met driedimensionale (3D) elektronenoverdrachtsroutes, onderling verbonden ionenverspreidingskanalen, en verbeterde grensvlakaffiniteit en activiteit. De gefabriceerde N-ACNT/G sandwiches, beschreven in het journaal Geavanceerde materialen op 17 september 2014, toonden hoge prestaties in lithium-zwavel (Li-S) batterijen.

CNT's en grafeen, de meest gemarkeerde sp ² -gebonden koolstof nanomaterialen in de afgelopen decennia, hebben enorm veel aandacht gekregen op het gebied van energieopslag, heterogene katalyse, gezondheidszorg, milieubescherming, evenals nanocomposieten, die niet alleen sterk afhankelijk zijn van hun superieure intrinsieke fysieke eigenschappen, zoals mechanische sterkte, elektrische en thermische geleidbaarheid, maar ook op hun afstembare chemische karakters, zoals functionele groepen, doping, en oppervlaktemodificatie. Echter, de heteroatoom-bevattende nanokoolstof heeft de neiging te aggregeren als gevolg van sterke van der Waals-interacties en een grote oppervlakte-explosie, daardoor voortdurend de demonstratie van hun intrinsieke fysieke eigenschappen en prestaties in als gefabriceerde materialen en praktische apparaten beperken.

De combinatie van CNT's en grafeen in 3D hybride composieten kan meestal de zelfaggregatie en herstapeling van nanokoolstofmaterialen verminderen en ook de fysieke eigenschappen op macroschaal versterken. Tot nu toe, er zijn verschillende strategieën onderzocht om dergelijke CNT's / grafeenhybriden te fabriceren, inclusief post-organisatie methoden en in situ groei, terwijl integratie van hoogwaardige CNT's en grafeen zonder barrièrelagen nog steeds moeilijk is.

Een team van de Tsinghua University (China), onder leiding van prof. Qiang Zhang en Fei Wei hebben nu met succes sandwich-achtige N-ACNT/G-hybriden gefabriceerd via een katalytische groei in twee stappen op bifunctionele natuurlijke materialen. Uitgelijnde CNT's werden eerst geïntercaleerd in de tussenlaagruimten van de gelaagde katalysator ingebed met metalen nanodeeltjes (NP's) via een lage temperatuur (L-T) CVD, en grafeen werd achtereenvolgens afgezet op het oppervlak van lamellaire vlokken op de bodem van uitgelijnde CNT's via een hoge temperatuur (H-T) CVD. NH3 werd gelijktijdig geïntroduceerd tijdens de CVD-groei voor de opname van stikstofatomen in het koolstofraamwerk. Na verwijdering van de katalysator, alternatief uitgelijnde CNT's en grafeen waren verticaal met elkaar verbonden in periodiciteit op lange afstand, waardoor een sandwichachtige structuur wordt gevormd.

"Het belangrijkste probleem voor de fabricage van de nieuwe N-ACNT / G-architectuur is dat de hoogwaardige uitgelijnde CNT's en grafeen werden gekweekt op de NP's en lamellaire vlokken bij L- en H-T CVD, respectievelijk en gezamenlijk." Eerste auteur Cheng Tang legde uit aan Phys.Org, ''Daarbij, de naadloze verbinding van hoogwaardige uitgelijnde CNT's en grafeen zorgde voor 3D-elektronenoverdrachtsroutes en onderling verbonden iondiffusiekanalen. Ook, de stikstofdoping veroorzaakte een matige chemische modulatie van het koolstofraamwerk, waardoor de grensvlakaffiniteit en elektrochemische activiteit werd verbeterd."

Een van de meest veelbelovende kandidaten voor stroombronnen van de volgende generatie, Li-S-batterij heeft een zeer hoge theoretische energiedichtheid van 2600 Wh kg ^-1 , natuurlijke overvloed aan element zwavel, en ook milieuvriendelijk. "We proberen de cyclische en snelheidsprestaties van Li-S-batterijen te verbeteren voor praktische toepassing met de N-ACNT/G-hybriden als kathodematerialen." zei prof. Wei. Een hoge initiële omkeerbare capaciteit van 1152 mAh g ^-1 kan beschikbaar zijn bij 1,0 C, onderhouden van ca. 880 mAh g ^-1 na 80 cycli, die ongeveer 65% hoger was dan die van alleen uitgelijnde CNT's. Zelfs bij een hoge stroomdichtheid van 5,0 C, een omkeerbare capaciteit van ca. 770 mAh g ^-1 kan worden behaald.

"De opmerkelijke cycluscapaciteit en snelheidscapaciteit kunnen worden toegeschreven aan de nieuwe structurele en chemische kenmerken van de N-ACNT/G-sandwiches", Prof. Zhang legde uit, "De naadloze kruising van CVD-gegroeide uitgelijnde CNT's en grafeen zorgt voor snelle elektronenoverdracht en mechanische robuustheid. De 3D onderling verbonden mesoporeuze ruimte verbetert de penetratie en diffusie van elektrolyten. Bovendien, de met stikstof gemodificeerde interfaces geven aanleiding tot verbeterde grensvlakaffiniteit voor efficiënte opsluiting en gebruik van zwavel en polysulfiden."

"Er wordt sterk verwacht dat de N-ACNT/G-sandwiches verschillende potentiële toepassingen hebben op het gebied van nanocomposiet, energie opslag, milieubescherming, elektronisch apparaat, evenals de gezondheidszorg, vanwege hun robuuste hiërarchische structuur, 3D-elektronenoverdrachtsroutes en ionendiffusiekanalen, en verbeterde grensvlakaffiniteit en activiteit ook." Prof. Zhang zei, "Omdat een dergelijke ontwerp- en fabricagestrategie algemeen toepasbaar is, we voorzien een nieuwe tak van materiaalchemie die zich ontwikkelt op het gebied van geavanceerde hiërarchische nanostructuren via de 3D-topologische nanosystemen en grensvlakmodificatie."