Structurele hiërarchie is de hoeksteen van de biologische wereld, evenals de belangrijkste les die we uit de natuur hebben geleerd om ingenieuze hiërarchische poreuze materialen te ontwikkelen voor verschillende toepassingen in energieomzetting en -opslag. Onlangs, een onderzoeksgroep uit China, geleid door Prof. Qiang Zhang aan de Tsinghua Universiteit, heeft een nieuw soort hiërarchisch poreus grafeen (HPG) ontwikkeld via een veelzijdige chemische dampafzetting (CVD) op CaO-sjablonen voor krachtige lithium-zwavel (Li-S) batterijen. Dit werk is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

"Vanwege de dringende vraag naar duurzame energiesystemen en draagbare energieopslagapparaten, de Li-S-batterij is genoemd als het meest veelbelovende alternatief voor energieopslagapparaten van de volgende generatie, vanwege de hoge theoretische energiedichtheid van 2600 Wh kg-1, goedkoop, en milieuvriendelijkheid, " zei Prof. Zhang. "Ondanks deze voordelen, de praktische toepassing staat nog steeds voor een enorme uitdaging vanwege de intrinsieke isolatie van zwavel en lithiumsulfiden, het oplossen van polysulfiden met een shuttle-effect, en de enorme volumeverandering van kathodematerialen tijdens bedrijf."

Onderzoekers hebben geprobeerd hiërarchische nanokoolstofmaterialen te ontwikkelen met afstembare structurele hiërarchieën en oppervlaktekenmerken voor gebruik als Li-S-kathodesteigers om deze problemen effectief aan te pakken. Hiërarchische poreuze materialen vertonen porositeiten op meer dan één lengteschaal met verschillende eigenschappen en rollen, respectievelijk. Het is belangrijk voor de verbetering van de prestaties van de Li-S-batterij.

"Echter, strategieën met een meerstapsproces en/of sjablonen met meerdere schalen worden dominant gebruikt om hiërarchische porositeiten te verkrijgen. Het is altijd ingewikkeld en ongunstig voor de structuurvoorschriften, " zegt Cheng Tang, een afgestudeerde student en de eerste auteur.

Voor de eerste keer, Cheng stelde de hiërarchische poreuze CaO-deeltjes voor als effectieve katalytische sjablonen voor de gemakkelijke CVD-groei van grafeen. CaO is een veel voorkomend en veelbelovend materiaal met lage kosten, gemakkelijke zuivering, en veelbelovend cyclisch gebruik. Aanvullend, verschillende hiërarchische structuren kunnen gemakkelijk worden verkregen voor CaO, waardoor het een veelzijdige strategie is om HPG-materialen te fabriceren met een instelbare structurele hiërarchie.

Op basis van dit begrip, ze verkregen een hiërarchische poreuze structuur van grafeen met overvloedige gemicroniseerde inplane-vacatures, mesosized gerimpelde poriën, en macrosized gestutte holtes. Het kan dienen als een gunstige steiger voor kathodes van Li-S-batterijen met verbeterd gebruik van zwavel, hoge afvoercapaciteit en efficiëntie, superieure stabiliteit, en uitstekend tarief vermogen. De kleine mesoporiën vergemakkelijken het invangen van zwavel en polysulfiden; de microporiën en defecte grafeenlagen met een hoge SSA accommoderen een hoge zwavelbelading met innige affiniteit; de onderling verbonden grote mesoporiën en macroporiën verkorten de transportafstand van ionen en elektrolyt.

"We hopen dat de nieuwe fabricagestrategie van hiërarchische poreuze grafeenmaterialen de eigenschappen van kathodesteigers voor de praktische toepassing van Li-S-batterijen kan verbeteren." zei Qiang. Verdere verbeteringen worden verwacht met een nauwkeuriger ontwerp van de hiërarchische structuur en aanvullende oppervlaktemodificatie. Het hier gepresenteerde idee opent nieuwe perspectieven voor de ontwikkeling van grafeen met nanoarchitectuur met metaaloxidekatalysatoren, die fris maar veelzijdig is in de richting van afstembare structuren, variabele eigenschappen, en veelbelovende toepassingen.