science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Spiraalvormige zelfassemblage van lamellaire micellen in holle nanosferen met meerdere schalen met unieke chirale architectuur

Schematische weergave van het vormingsproces van de spiraalvormige MCN's. Eerst werd het lamellaire micelsysteem gevormd door de reactant bij 300 rpm te roeren. Vervolgens werden de lamellaire micellen dynamisch geassembleerd tot de mesogestructureerde PDA-nanosferen onder begeleiding van de afschuifstroom. Ten slotte zou carbonisatie van de gevriesdroogde PDA-nanosferen in de N2-atmosfeer kunnen leiden tot de vorming van spiraalvormige MCN's met een interessante chirale architectuur. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403

Het is een uitdaging om functionele koolstofnanosferen te ontwikkelen met goed gedefinieerde porositeit en complexe nanostructuren met meerdere schalen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , Liang Peng en een onderzoeksteam in chemie en materiaalsynthese, in China, rapporteerden een lamellaire micel-spiraal zelfassemblagestrategie om mesoporeuze koolstofnanosferen met meerdere schalen te vormen met unieke chiraliteit. Bij deze methode introduceerde het team afschuifstroming om de zelfassemblage van de spiraal aan te drijven. De resulterende zelfdragende spiraalarchitectuur van de koolstofnanosferen met meerdere schalen in combinatie met hun grote oppervlakte en overvloedige stikstofgehalte met overvloedige mesoporiën leverde uitstekende elektrochemische prestaties op voor kaliumopslag. De micel-gerichte zelfassemblage bood een eenvoudige en krachtige strategie om in de toekomst het nanostructuurontwerp van functionele materialen te inspireren.

Ontwikkelen van het micelsysteem

Het team ontwikkelde koolstofnanosferen met meerdere schalen (MCN's) met een unieke chirale architectuur, waarbij een lamellair Pluronic trimethylbenzeen (TMB) / dopamine (DA) micelsysteem werd gecreëerd dat wordt aangedreven door de afschuifstroom om de polymerisatie van voorlopers en intelligent zelf -assembleren tot nanosferen met meerdere schalen. De lamellaire micellen groeiden spiraalsgewijs en continu tot een stabiele volle bol. De spiraalvormige MCN's leverden superieure snelheidscapaciteit en lange cyclusstabiliteit bij gebruik als anodemateriaal voor kaliumionbatterijen. Deze strategie kan een multifunctioneel platform openen om een ​​verscheidenheid aan nanostructuren voor toepassingen te bouwen. Peng et al. bereidde de MCN's voor met behulp van een lamellaire micel-spiraal zelfassemblagestrategie met behulp van het Pluronic-platform als een zachte sjabloon, TMB als het hydrofobe interactiebemiddelingsmiddel en dopamine als de stikstof- en koolstofbron in het ethanol / watermengsel. In eerste instantie, Peng et al. samengesteld de lamellaire micellen in het systeem door te roeren bij 300 rpm van reactie-evolutie. Vervolgens assembleerden ze dynamisch de samengestelde micellen in de mesogestructureerde polydopamine (PDA) nanosferen via afschuifstroom. De carbonisatie van de gevriesdroogde polydopamine-nanosferen in een stikstofatmosfeer leidde tot de vorming van spiraalvormige MCN's met een interessante chirale architectuur.

Het optische dynamische transformatieproces van de vorming van spiraalvormige multishell-nanosferen. Echte tijd. Naarmate de reactie vordert, transformeren de PDA-nanodeeltjes geleidelijk van lepelachtige deeltjes naar nanobolletjes met meerdere schillen met een spiraalvormige nanostructuur. Ondertussen ondergaat de reactieoplossing een reeks veranderingen van een heldere transparante oplossing naar een lichtoranje emulsie (1 min), vervolgens naar een diepbruine suspensie (30 min) en uiteindelijk naar een zwart mengsel (180 min). Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403
Kenmerken en ontwikkelen van materialen

De veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM) beelden toonden aan dat de mesogestructureerde polydopamine nanosferen zeer uniform waren met een gemiddelde deeltjesgrootte van 180 nm. Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) heeft het team de polydopamine-nanosferen in beeld gebracht om een ​​chirale holle structuur met meerdere schalen te behouden, die ze vasthielden zonder instorting en vervorming na calcinering bij hoge temperatuur. Met behulp van vergrote TEM-afbeeldingen toonde het team duidelijk de groei van de multi-shelled architectuur en bevestigde de 3D multi-shelled nanostructuur om de typische amorfe fase van koolstofraamwerk met veel structurele defecten te tonen. Met behulp van elementaire kaarten, Peng et al. toonde vervolgens de uniforme verdeling van koolstof-, stikstof- en zuurstofatomen in elke koolstofschil. De resultaten wezen op een lamellaire mesoporeuze structuur van de materialen, terwijl röntgenverstrooiingspatronen met een kleine hoek een nanostructuur met meerdere schalen vertoonden. Vervolgens bestudeerden ze ook het effect van oplosmiddel op de vorming van de spiraalvormige MCN's (multi-shelled carbon nanospheres) - terwijl de aanwezigheid van ethanol hielp bij het vormen van de structuren, zorgde overmatige ethanol ervoor dat ze labiel werden. Door de massaverhouding van de bestanddelen te vergroten, varieerden de wetenschappers bovendien de structuur van producten van gladde vaste nanosferen tot constructies met drie schalen.

Fysisch-chemische karakterisering van de spiraalvormige MCN's. (A) N2-sorptie-isothermen, (B) SAXS-patroon, (C) XPS-enquête en (D) N 1s XPS-spectrum met hoge resolutie van de mesoporeuze MCN's met unieke chirale architectuur bereid door de lamellaire micel-spiraal zelfassemblagestrategie. Inzetstukken in (A) tot (C) zijn respectievelijk de overeenkomstige poriegrootteverdeling, tweedimensionale SAXS-afbeelding en elementgewichtspercentages. a.u., willekeurige eenheden. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403

Morfologie en structuur van MCN's (multi-shelled carbon nanospheres)

De hoeveelheid precursor en de roersnelheid beïnvloedden ook de morfologie en mesostructuur van MCN's in het reactiesysteem. Door het verhogen van de hoeveelheid dopamine, Peng et al. stemde de structuur van de verkregen producten af ​​van dunne nanoschijven tot een mengsel van enkele holle en meerschillige nanobolletjes. Door de dopamine te verhogen, ontwikkelden ze verder zuivere vijfvoudige-schaal nanosferen met een volledig ontwikkelde chirale architectuur. De resultaten wezen ook op agitatie als een drijvende kracht voor de zelfassemblage van nanostructuren met meerdere schalen. Het team reguleerde de morfologie en mesostructuur van de producten door de hydrofobe en hydrofiele verhouding van de copolymeersjablonen die tijdens hun ontwikkeling werden gebruikt, te beïnvloeden.

Schematische illustratie van het vormingsmechanisme voor de mesoporeuze koolstofnanosferen met diverse architecturen. Een reeks mesoporeuze koolstofnanosferen werd bereid met behulp van verschillende triblokcopolymeren met verschillende hydrofobe/hydrofiele verhoudingen als sjablonen:(A) F108, (B) F127, (C) P105 en (D) P123. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403

Elektrochemische prestaties van de constructies en kaliumionbatterijen

Om de elektrochemische prestaties te evalueren, hebben Peng et al. gebruikte voor het eerst cyclische voltammetrie (CV) in het spanningsbereik van 0,01 tot 3,0 V. Met behulp van TEM-beelden (transmissie-elektronenmicroscopie) en stikstofabsorptie-isothermanalyses, liet het team zien hoe de mesoporeuze structuur met meerdere schalen goed kon worden onderhouden na een lange termijn fiets. Bij hogere stroomdichtheden werden de voordelen van de spiraalvormige constructies met meerdere schalen prominenter. De MCN's presenteerden een aantrekkelijk tarief en indrukwekkende fietsprestaties. Om meer inzicht te krijgen in het elektrochemische gedrag van de MCN-elektrode, hebben Peng et al. voerde kinetiek en kwantitatieve analyse uit op basis van cyclische voltammetrietests bij verschillende scansnelheden. De resultaten onthulden de geleidelijke toename van de capacitieve bijdrageverhouding met de toename van de scansnelheid om de voordelen van de spiraalvormige structuur met meerdere schalen aan te tonen.

Microstructuurkarakterisering van de spiraalvormige MCN's. (A) FESEM-afbeelding, (B en D) TEM-afbeelding, (E en F) vergrote TEM-afbeeldingen en (C en G) scanning TEM en energie-dispersieve röntgenelementafbeeldingsafbeeldingen van de mesoporeuze MCN's met unieke chirale architectuur voorbereid door de lamellaire micel-spiraal zelfassemblagestrategie. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403

De beheersbaarheid en veelzijdigheid van de synthetische methode. FESEM- en TEM-afbeeldingen van de mesoporeuze koolstofnanosferen bereid door de grensvlakkromming van micellen aan te passen door verschillende Pluronic-triblokcopolymeren te gebruiken:(A tot C) F108, (D tot F) F127, (G tot I) P105 en (J tot L ) P123. (M) De overeenkomstige distributiehistogrammen van de deeltjesdiameters en poriegroottes. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403

Vooruitzichten

Op deze manier creëerden Liang Peng en collega's rechtstreeks koolstofstructuren met meerdere schalen met behulp van zelfassemblage van blokcopolymeer en reguleerden ze de micelstructuur rationeel door geschikte bemiddelingsmiddelen te introduceren om de uitkomst in evenwicht te brengen. Ze ontwikkelden uniforme multi-shelled koolstofnanosferen met goed gedefinieerde porositeit en unieke architectuur op basis van een lamellaire micel-spiraal-zelfassemblagebenadering. De aanpak omvatte de introductie van afschuifstroming om de lamellaire micellen continu aan te drijven om zichzelf te assembleren tot stabiele multi-shelled nanosferen. De micellaire structuur kan systematisch worden afgestemd door de verhouding van oppervlakteactieve stoffen te reguleren om bloemachtige en multi-shelled nanosferen te creëren. De resulterende MCN's leverden uitstekende snelheidscapaciteit, ongekende chirale architectuur en langdurige cyclische stabiliteit voor kaliumionbatterijen. Het werk vertegenwoordigt een multifunctioneel platform voor het synthetiseren van nieuwe nanostructuren voor geavanceerde toepassingen, naast fundamentele informatie over micel-gerichte zelfassemblage en chemie. + Verder verkennen

Mesoporeuze structuur verbetert katalytische prestaties van katalysatoren met één atoom

© 2021 Science X Network




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wat gebeurt er als mitose verkeerd gaat?
  2. Blikseminslag vormt tropische wouden
  3. Sommige mariene soorten zijn kwetsbaarder voor klimaatverandering dan andere
  4. Het verschil tussen genomisch DNA en plasmide-DNA
  5. Who Discovered Ribosomes Structure?
  6. Structuur van het cardiovasculaire systeem
  7. Nieuwe studie suggereert dat de laatste gemeenschappelijke voorouder van mensen en apen kleiner was dan gedacht
  8. Verplaatste haviken gedijen goed in Hispaniola
  9. Welke Cell Organelle slaat DNA op en synthetiseert RNA?

Wetenschap