Door meerdere nanomaterialen te combineren in een enkele structuur, wetenschappers kunnen hybride materialen maken die de beste eigenschappen van elk onderdeel bevatten en beter presteren dan elke afzonderlijke stof. Bij KAUST is nu een gecontroleerde methode ontwikkeld om drielagige holle nanostructuren te maken. De hybride structuren bestaan ​​uit een geleidende organische kern die is ingeklemd tussen lagen elektrokatalytisch actieve metalen:hun potentiële toepassingen variëren van betere batterij-elektroden tot de productie van hernieuwbare brandstof.

Hoewel er verschillende methoden bestaan ​​om tweelaagse materialen te maken, het maken van drielaagse constructies is veel moeilijker gebleken, zegt Peng Wang van het Water Desalination and Reuse Centre, die samen met professor Yu Han het huidige onderzoek leidde, lid van het Advanced Membranes and Porous Materials Center bij KAUST. De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe, benadering met twee sjablonen, legt Sifei Zhuo uit, een postdoctoraal lid van Wang's team.

De onderzoekers groeiden hun hybride nanomateriaal rechtstreeks op carbonpapier - een mat van elektrisch geleidende koolstofvezels. Ze produceerden eerst een bos van nikkel-kobalthydroxylcarbonaat (NiCoHC) nanodraden op het oppervlak van elke koolstofvezel (afbeelding 1). Elke kleine anorganische borstel was bedekt met een organische laag die waterstofgesubstitueerd grafdiyne (HsGDY) wordt genoemd (afbeelding 2).

De volgende stap was de belangrijkste stap met twee sjablonen. Toen het team een ​​chemisch mengsel toevoegde dat reageert met de innerlijke NiCoHC, de HsGDY fungeerde als een gedeeltelijke barrière. Sommige nikkel- en kobaltionen uit de binnenste laag diffundeerden naar buiten, waar ze reageerden met thiomolybdaat uit de omringende oplossing om de buitenste nikkel-, kobalt-co-gedoteerde MoS ₂ (nee, Co-MoS ₂ ) laag. In de tussentijd, sommige zwavelionen van de toegevoegde chemicaliën diffundeerden naar binnen om te reageren met het resterende nikkel en kobalt. De resulterende stof (afbeelding 3) had de structuur Co ₉ S ₈ , Ni ₃ S ₂ @HsGDY@Ni, Co-MoS ₂ , waarin de geleidende organische HsGDY-laag is ingeklemd tussen twee anorganische lagen (afbeelding 4).

Het drielagige materiaal vertoonde goede prestaties bij het elektrokatalytisch breken van watermoleculen om waterstof te genereren, een potentiële hernieuwbare brandstof. De onderzoekers creëerden ook andere drielaagse materialen met behulp van de dual-template-aanpak

"Deze drielaagse nanostructuren hebben een groot potentieel in energieconversie en opslag, ", zegt Zhuo. "We denken dat het kan worden uitgebreid om te dienen als een veelbelovende elektrode in veel elektrochemische toepassingen, zoals in supercondensatoren en natrium-/lithium-ionbatterijen, en voor gebruik bij ontzilting van water."