De wijnstok-boomstructuur wordt algemeen waargenomen in de natuur wanneer de plant een groeiwijze heeft van achterblijvende of klimmende stengels. De wijnstokken gebruiken bomen voor groei in plaats van energie te steken in de ontwikkeling van ondersteunend weefsel, waardoor de wijnstok zonlicht kan bereiken met een minimale energie-investering. De bomen kunnen ook het transport van voedingsstoffen vergemakkelijken. Dergelijke hiërarchische wijnstok-boomstructuren bieden synergie tussen de wijnstokken en bomen, evenals het maximale gebruik van zonneschijn en beperkte bodem en ruimte, die ook een veelbelovende universele architectuur zou kunnen zijn in zowel macro- als microwerelden.

De combinatie van laagdimensionale nanomaterialen met verschillende fysische en chemische eigenschappen tot driedimensionale (3D) hiërarchische nanostructuren is een populair onderzoeksonderwerp vanwege de voordelen van elk onderdeel en suggereert de vorming van geavanceerde materialen met onverwachte eigenschappen voor unieke toepassingen. Van een wijnstokachtige nanostructuur wordt verwacht dat deze een hoge efficiëntie heeft voor de adsorptie en reactie van ionen uit de elektrolyt en voor de overdracht van elektronen. Dit zou kunnen leiden tot hoogwaardige elektrodematerialen voor energieopslagapparaten.

Nieuw werk van Prof. Qiang Zhang en Fei Wei's onderzoeksgroep in de afdeling Chemische Technologie aan de Tsinghua University (China) rapporteert over de in-situ zelfassemblage van wijnstok-boom-achtige nanostructuur met behulp van koolstof nanobuisjes (CNT's) als de bouwstenen door chemische dampafzetting (CVD). Dit werk biedt ook een algemene biomimetische strategie voor het ontwerp van hiërarchische nanomaterialen met buitengewone elektronenroutes en een afstembaar oppervlak/interface dat kan worden gebruikt in gebieden van katalyse, scheiding, en energieconversie en -opslag.

Door gebruik te maken van katalysator nanodeeltjes (NP's) met een bimodale grootteverdeling tijdens de CVD-synthese, wetenschappers hebben wijnstokachtige CNT's (VT-CNT's) verkregen die zijn samengesteld uit wijnstokachtige enkelwandige CNT's (SWCNT's) die zich rond de boomachtige meerwandige CNT's (MWCNT's) wikkelen. De VT-CNT's, beschreven in het tijdschrift van Geavanceerde materialen in deel 26, Nummer 41, Pagina 7051-7058, Gepubliceerd op 5 november 2014 ("Hierarchical Vine-Tree-Like Carbon Nanotube Architectures:In-Situ CVD Self-Assembly and their Use as Robust Scaffolds for Lithium-Sulphur Batteries") zou kunnen dienen als uitstekende kathode-steigers voor hoogwaardige lithium-zwavelbatterijen.

'De reden dat we CNT's als modelsysteem selecteren, is omdat de CNT's een van de meest typische laagdimensionale bouwstenen van de afgelopen 25 jaar zijn.' Qiang Zhang, een universitair hoofddocent aan de Tsinghua University, vertelt Phys.Org, 'De vorming van bimodale katalysator NP's is de belangrijkste factor. Dit komt omdat de grootte van katalysator-NP's een sleutelrol speelt in het wandnummer en de diameter van de CNT's. De katalysator-NP's met een kleinere afmeting zullen naar verwachting de groei van SWCNT 'vine' katalyseren, terwijl de grotere de groei van de MWCNT 'tree' tegelijkertijd vergemakkelijken.' Bijgevolg, VT-CNT's die zijn samengesteld uit SWCNT 'vine' die zich rond de MWCNT 'tree' wikkelen, kunnen zelf worden geassembleerd tijdens de in-situ CVD van koolwaterstoffen.

"De zelfassemblage van de wijnstokachtige structuur kan worden toegeschreven aan hun neiging om de grensvlakadhesie-energie tussen SWCNT's en MWCNT's te minimaliseren." eerste auteur Meng-Qiang Zhao legde uit aan Phys.Org, "Typisch, de SWCNT's gevormd op kleine katalysator-NP's groeien altijd veel sneller dan de MWCNT's die zijn gegroeid op grote metalen NP's. Echter, de VT-CNT-structuur hierin kan leiden tot het matchen van de groeisnelheid van SWCNT 'vine' en MWCNT 'tree'." De zoals verkregen VT-CNT's vertonen een hoog specifiek oppervlak van ~ 650 m ² G ^-1 en een totaal porievolume van ~1,6 cm ³ G ^-1 .

CNT's worden beschouwd als een van de meest veelbelovende kathodematerialen voor Li-S-batterijen vanwege hun opmerkelijke elektrische geleidbaarheid en uitstekende mechanische eigenschappen. Echter, het lage specifieke oppervlak ( <200 m ² G ^-1 ) van MWCNT's beperkt hun vermogen om zwavel op te nemen bij een hoge laadhoeveelheid en een slechte cyclusstabiliteit voor de MWCNT/S-kathoden. In de tussentijd, de SWCNT's zijn meestal met elkaar verstrengeld, die hun vermogen degradeert in de constructie van efficiënt geleidende netwerken. 'De VT-CNT's zullen naar verwachting een veelbelovende kandidaat zijn voor hoogwaardige Li-S-kathodematerialen.' legde Qiang Zhang uit, 'Vergeleken met MWCNT's, de wijnstokachtige SWCNT's zorgden voor een grote hoeveelheid poreuze structuur en een groter oppervlak voor de uniforme fysieke absorptie en opsluiting van zwavel in plaats van een eenvoudige fysieke laag zwavel op de MWCNT-oppervlakken. De boomachtige MWCNT's in VT-CNT's zorgden voor robuuste elektronenroutes om een ​​goede snelheidsprestatie te garanderen.'

Een hoge capaciteit van 1418 mAh g ^-1 per zwavel kan worden bereikt op de VT-CNT/S-kathoden. Een capaciteit van 530 mAh g ^-1 kan zelfs na 450 cycli bij een stroomdichtheid van 1,0 C nog steeds worden behouden, met een initiële capaciteit van 832 mAh g ^-1 . Een cyclische fadingsnelheid van ca. 0,08%/cyc werd bereikt. Een capaciteit van 997 en 630 mAh g ^-1 kan nog worden bewaard bij een hoge stroomdichtheid van 3,0 en 4,0 C, respectievelijk.

In de toekomst, de onderzoekers hopen de fijne structuur van VT-CNT's nauwkeurig te beheersen en hun grootschalige productie te bereiken, evenals hun toepassingen op het gebied van katalyse, milieubescherming, nanocomposieten, en elektronische apparaten. 'Het concept van wijnstokachtige nanostructuren is niet beperkt tot CNT's.' zei prof. Zhang, 'De fabricage van wijnstok-achtige nanostructuren met behulp van andere eendimensionale bouwstenen is voorzien, naar geavanceerde materialen met uitstekende eigenschappen en prestaties."