Di sul posto drogaggio dell'azoto e ibridazione strutturale di nanotubi di carbonio (CNT) e grafene tramite una deposizione chimica da fase vapore (CVD) in due fasi, gli scienziati hanno fabbricato sandwich di nanotubi di carbonio/grafene allineati drogati con azoto (N-ACNT/G) con percorsi di trasferimento di elettroni tridimensionali (3D), canali di diffusione ionica interconnessi, e maggiore affinità e attività dell'interfaccia. I panini N-ACNT/G come fabbricati, descritto nel giornale Materiale avanzato il 17 settembre 2014, hanno dimostrato prestazioni ad alta velocità nelle batterie al litio-zolfo (Li-S).

CNT e grafene, il più evidenziato sp ² -nanomateriali di carbonio legati negli ultimi decenni, hanno attirato enorme attenzione nel campo dello stoccaggio di energia, catalisi eterogenea, assistenza sanitaria, protezione ambientale, così come i nanocompositi, che dipendono fortemente non solo dalle loro proprietà fisiche intrinseche superiori, come la resistenza meccanica, conducibilità elettrica e termica, ma anche sui loro caratteri chimici sintonizzabili, come gruppi funzionali, doping, e modifica della superficie. Però, il nanocarbonio contenente eteroatomo tende ad aggregarsi a causa delle forti interazioni di van der Waals e dell'esplosione di un'ampia superficie, limitando così costantemente la dimostrazione delle loro proprietà fisiche intrinseche e prestazioni in materiali come fabbricati e dispositivi pratici.

La combinazione di CNT e grafene in compositi ibridi 3D può solitamente mitigare l'autoaggregazione e il re-impilamento dei materiali in nanocarbonio e anche amplificare le proprietà fisiche su macroscala. Fino ad ora, sono state esplorate diverse strategie per fabbricare tali CNT/ibridi di grafene, compresi i metodi post-organizzazione e la crescita in situ, mentre l'integrazione di CNT di alta qualità e grafene senza strati barriera è ancora difficile.

Un team della Tsinghua University (Cina), guidati dal Prof. Qiang Zhang e Fei Wei hanno ora fabbricato con successo ibridi N-ACNT/G simili a sandwich tramite una crescita catalitica in due fasi su materiali naturali bifunzionali. I CNT allineati sono stati dapprima intercalati negli spazi interstrato del catalizzatore stratificato incorporato con nanoparticelle metalliche (NP) attraverso un CVD a bassa temperatura (L-T), e il grafene è stato depositato in sequenza sulla superficie dei fiocchi lamellari nella parte inferiore dei CNT allineati attraverso un CVD ad alta temperatura (H-T). NH3 è stato introdotto simultaneamente durante la crescita CVD per l'incorporazione di atomi di azoto nella struttura del carbonio. Dopo la rimozione del catalizzatore, CNT allineati alternativi e grafene erano collegati verticalmente tra loro con periodicità a lungo raggio, formando così una struttura a sandwich.

"Il problema chiave per la fabbricazione della nuova architettura N-ACNT/G è che i CNT allineati di alta qualità e il grafene sono stati coltivati ​​sulle NP e sui fiocchi lamellari a L- e H-T CVD, rispettivamente e congiuntamente." Il primo autore Cheng Tang ha spiegato a Phys.Org, ''In tal modo, la connessione continua di CNT allineati di alta qualità e grafene ha fornito percorsi di trasferimento di elettroni 3D e canali di diffusione ionica interconnessi. Anche, il doping con azoto ha indotto una moderata modulazione chimica al quadro del carbonio, per cui ha migliorato l'affinità interfacciale e l'attività elettrochimica."

Uno dei candidati più promettenti per le fonti di energia di nuova generazione, La batteria Li-S ha una densità di energia teorica molto elevata di 2600 Wh kg ^-1 , abbondanza naturale dell'elemento zolfo, e anche rispettoso dell'ambiente. "Cerchiamo di migliorare le prestazioni cicliche e di velocità delle batterie Li-S per l'applicazione pratica con gli ibridi N-ACNT/G come materiali catodici". ha detto il prof. Wei. Un'elevata capacità reversibile iniziale di 1152 mAh g ^-1 può essere disponibile a 1,0 C, mantenendo ca. 880 mAh g ^-1 dopo 80 cicli, che era di circa il 65 % superiore a quello dei soli CNT allineati. Anche ad un'elevata densità di corrente di 5,0 C, una capacità reversibile di ca. 770 mAh g ^-1 può essere raggiunto.

"La notevole capacità di ciclo e velocità può essere attribuita alle nuove caratteristiche strutturali e chimiche dei sandwich N-ACNT/G", Il prof. Zhang ha elaborato, "La giunzione senza soluzione di continuità di CNT allineati coltivati ​​in CVD e grafene fornisce un rapido trasferimento di elettroni e robustezza meccanica. Lo spazio mesoporoso interconnesso 3D migliora la penetrazione e la diffusione degli elettroliti. Inoltre, le interfacce modificate con azoto danno luogo a una maggiore affinità interfacciale per un confinamento efficiente e l'utilizzo di zolfo e polisolfuri."

"Si prevede che i sandwich N-ACNT/G contengano varie potenziali applicazioni nell'area dei nanocompositi, stoccaggio di energia, protezione ambientale, dispositivo elettronico, così come la sanità, per la loro robusta struttura gerarchica, Vie di trasferimento di elettroni 3D e canali di diffusione ionica, e anche una maggiore affinità e attività interfacciale." ha affermato il prof. Zhang, "Poiché tale strategia di progettazione e fabbricazione è generalmente applicabile, prevediamo un nuovo ramo della chimica dei materiali in evoluzione nell'area delle nanostrutture gerarchiche avanzate attraverso i nanosistemi topologici 3D e la modifica dell'interfaccia."