Door een groot aantal uitsteeksels op grafeenlagen te introduceren tijdens de synthese van chemische dampafzetting (CVD), wetenschappers hebben intrinsiek ongestapeld dubbellaags grafeen gefabriceerd met een hoog specifiek oppervlak, uitstekende elektrische geleidbaarheid, en mesoporeuze structuur. Het ongestapelde dubbellaagse grafeen, beschreven in het journaal Natuurcommunicatie , zouden uitstekende kathodematerialen kunnen zijn voor krachtige lithium-zwavelbatterijen.

Grafeen is een veelbelovend functioneel materiaal voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder energieopslag, vanwege zijn buitengewone elektrische en mechanische eigenschappen. Echter, grafeenlagen hebben de neiging om met elkaar te stapelen vanwege hun enorme oppervlak en sterke π-π-interacties tussen meerlagig grafeen met een tussenlaagafstand van ca. 0,334 nm. Deze stapeling resulteert in een veel kleiner oppervlak van het verkregen grafeen, met slechte energieopslagprestaties. Het is noodzakelijk om stapeling te vermijden om de intrinsieke eigenschappen van grafeen te versterken en praktische toepassing te vergemakkelijken.

Onderzoekers hebben talloze nieuwe benaderingen onderzocht om de stapeling van grafeen te remmen. De meeste zijn gebaseerd op de introductie van afstandhouders zoals metaaloxiden, geleidende polymeren, carbon zwart, of koolstofnanobuisjes in de tussenlaagruimten. Echter, dergelijke hybridisatieprocessen veroorzaken onvermijdelijk veranderingen in de intrinsieke eigenschappen van grafeen en/of veroorzaken slechte interfaces.

Wetenschappers van de Tsinghua University (China) hebben nu met succes intrinsiek niet-gestapeld dubbellaags grafeen gefabriceerd door middel van sjabloongestuurde CVD. Een team onder leiding van prof. Qiang Zhang en Fei Wei onderzocht het idee om mesoporeuze nanovlokken als sjabloon te gebruiken. De grafeenlagen worden op de mesoporeuze sjabloon afgezet en in de mesoporeuze structuur gegoten, waar de koolstofatomen die in de mesoporiën zijn afgezet de grafeenuitsteeksels vormen en fungeren als afstandhouders om te voorkomen dat de grafeenlagen die aan beide zijden van de mesoporeuze vlokken zijn afgezet, zich opstapelen. Bijgevolg, dubbellaags sjabloongrafeen bestaande uit twee grafeenlagen met een groot aantal uitsteeksels kan worden teruggewonnen na het verwijderen van de mesoporeuze vlokken.

"De aanwezigheid van een groot aantal mesoporiën in de nanoflake-sjabloon geeft aanleiding tot uitsteeksels met een hoge dichtheid van ca. 5,8 × 10 ¹⁴ m ^-2 en maten varieerden van 2 tot 7 nm tussen grafeenlagen, " vertelt eerste auteur Meng-Qiang Zhao aan Phys.org. "De uitsteeksels spelen een belangrijke rol bij het voorkomen van het opstapelen van grafeenlagen. Daarnaast, de aanwezigheid van dergelijke uitsteeksels op het oppervlak van grafeen kan de π-π-interacties tussen grafeenlagen verzwakken en zo tot op zekere hoogte de stapeling van naburig dubbellaags sjabloongrafeen voorkomen." het dubbellaags grafeen heeft een hoog specifiek oppervlak van 1628 m ² g-1, overvloedige mesoporiën met een grootte variërend van 2 tot 7 nm, en een totaal porievolume van 2,0 cm ³ G ^-1 .

Lithium-zwavelbatterijen zijn een van de meest veelbelovende technologieën voor energieopslag vanwege de hoge energiedichtheid. Echter, hun vermogensdichtheid en slechte fietsstabiliteit zijn altijd een belangrijk obstakel geweest voor hun praktische toepassing. Bij gebruik van het niet-gestapelde dubbellaagse grafeen als kathodemateriaal, wetenschappers waren in staat lithium-zwavelbatterijen te fabriceren met uitstekende krachtige prestaties. Hoge omkeerbare capaciteiten van 1034 en 734 mA h g ^-1 werden bereikt bij hoge ontladingssnelheden van 5 en 10 C, respectievelijk. Zelfs na 1000 cycli, hoge omkeerbare capaciteiten van ca. 530 en 380 mA h g ^-1 werden bewaard bij 5 en 10 C, met coulomb efficiëntie constanten op ca. 96 en 98 %, respectievelijk.

"De uitstekende prestaties met hoog vermogen kunnen worden toegeschreven aan de buitengewone elektrische geleidbaarheid en unieke mesoporeuze structuur van het niet-gestapelde dubbellaagse grafeen, " Prof. Zhang legde uit. De unieke poreuze structuur van het niet-gestapelde dubbellaagse grafeen maakt de effectieve opslag van zwavel in de mesosized lamellaire tussenlaagruimte mogelijk, waardoor een efficiënte verbinding tussen de zwavel en grafeen ontstaat en de diffusie van polysulfiden in de elektrolyt wordt voorkomen. Bijgevolg, een uitstekende high-power prestatie van de lithium-zwavelcellen met een hoge capaciteit en goede stabiliteit wordt bereikt.

"We verwachten dat de niet-gestapelde dubbellaagse grafeenmaterialen potentieel hebben in toepassingen voor milieubescherming, nanocomposieten, elektronische apparaten, en persoonlijke gezondheidszorg vanwege hun intrinsiek grote oppervlakte, buitengewone thermische en elektrische geleidbaarheid, robuuste 3D steiger, afstembare oppervlaktechemie, en biocompatibele interface, " zei prof. Zhang, "Omdat niet-gestapelde gelaagde nanostructuren niet beperkt zijn tot grafeen, we voorzien een nieuwe tak van chemie die zich ontwikkelt in de stabilisatie van nanostructuren door middel van 3D-topologische poreuze systemen."