Holle koolstof nanodeeltjes zijn sterk, elektriciteit goed geleiden en een opmerkelijk groot oppervlak hebben. Ze zijn veelbelovend in toepassingen zoals waterfiltratie, waterstofopslag en batterij-elektroden, maar commercieel gebruik vereist betrouwbare, goedkope manieren voor hun productie.

Xu Li van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore en medewerkers hebben een eenvoudige fabricagetechniek ontwikkeld die nauwkeurige controle biedt over de grootte en vorm van holle koolstofnanosferen.

Een huidige methode om deze deeltjes te bereiden, omvat het coaten van een harde sjabloon, zoals silica nanodeeltjes, met een op koolstof gebaseerd materiaal dat met extreme hitte tot een schaal kan worden gesmolten. Dit is een moeizaam proces, en het wegetsen van de sjabloon vereist agressieve chemicaliën. Het verwarmen van holle nanobolletjes van polystyreen levert vergelijkbare resultaten op, maar biedt een slechte controle over de grootte en vorm van de resulterende koolstofnanodeeltjes.

Li en collega's combineerden een blokcopolymeer genaamd F127, bestaande uit poly(ethyleenoxide) en poly(propyleenoxide), met donutvormige ?-cyclodextrinemoleculen in water. Nadat het mengsel is verwarmd tot 200 °C, de moleculen assembleerden zichzelf tot holle nanodeeltjes met een opbrengst van 97,5%.

De waterafstotende poly(propyleenoxide) delen van het polymeer plakten aan elkaar om holle bollen te vormen, waardoor poly(ethyleenoxide) moleculen aan de buitenkant bungelen. De ?-cyclodextrineringen werden vervolgens op deze strengen geregen, pakking rond de buitenkant van de bol om een ​​stabiele schaal te vormen. Door een hoger aandeel F127 in de mix te gebruiken, werden grotere nanosferen geproduceerd, met een diameter van 200 tot 400 nanometer. Door deze deeltjes te verhitten tot 900 °C in inerte gassen, verbrandde het polymeer om holle koolstofnanodeeltjes te maken.

De kleinste nanobolletjes waren 122 nanometer in doorsnee en hadden 14 nanometer dikke wanden bezaaid met kleine poriën van ongeveer 1 nanometer breed. Elke gram van dit materiaal had een oppervlakte van 317,5 vierkante meter, die groter is dan een tennisbaan.

De onderzoekers gebruikten een slurry van deeltjes om een ​​koperfolie te coaten en testten het als de anode in een lithium-ionbatterij. Ze ontdekten dat de deeltjes een omkeerbare laadcapaciteit hadden van 462 milliampere uur per gram - hoger dan grafiet, een typisch anodemateriaal - en zou minstens 75 keer kunnen worden opgeladen zonder noemenswaardig prestatieverlies. De poriën laten blijkbaar lithiumionen migreren naar de binnenoppervlakken van de bollen. "Het veranderen van de porositeit kan het transportproces verbeteren voor betere prestaties, " stelt Li voor. Het team is nu van plan om metaal- en metaaloxidematerialen in de holle koolstofnanosferen op te nemen om hun eigenschappen verder te verbeteren.