Le architetture gerarchiche di nanotubi di carbonio a forma di albero di vite composte da nanotubi di carbonio a parete singola simili a vite che avvolgono i nanotubi di carbonio a parete multipla ad albero sono fabbricate attraverso l'autoassemblaggio in-situ di deposizione chimica da vapore. Le nanoarchitetture simili ad alberi di vite mostrano un'eccellente stabilità ciclistica e prestazioni di velocità quando vengono impiegate come impalcature catodiche per batterie al litio-zolfo.
La struttura della vite è ampiamente osservata in natura quando la pianta ha un portamento di crescita di fusti trascinanti o rampicanti. Le viti usano gli alberi per crescere piuttosto che dedicare energia allo sviluppo del tessuto di supporto, permettendo alla vite di raggiungere la luce solare con un minimo investimento di energia. Gli alberi possono anche facilitare il trasporto di sostanze nutritive. Tali strutture gerarchiche della vite offrono sinergia tra le viti e gli alberi, nonché il massimo utilizzo della luce solare e del suolo e dello spazio limitati, che potrebbe anche essere un'architettura universale promettente in entrambi i mondi macro e micro.
La combinazione di nanomateriali a bassa dimensionalità con proprietà fisiche e chimiche distinte in nanostrutture gerarchiche tridimensionali (3D) è un argomento di ricerca caldo a causa dei vantaggi di ciascun componente e suggerisce la formazione di materiali avanzati con proprietà inaspettate per applicazioni uniche. Si prevede che una nanostruttura simile a un albero di vite abbia un'elevata efficienza per l'adsorbimento e la reazione degli ioni dall'elettrolita, nonché per il trasferimento di elettroni. Ciò potrebbe portare a materiali per elettrodi ad alte prestazioni per i dispositivi di accumulo di energia.
Il nuovo lavoro del Prof. Qiang Zhang e del gruppo di ricerca di Fei Wei nel Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Università di Tsinghua (Cina) riporta sull'autoassemblaggio in situ di nanostrutture simili ad alberi di vite utilizzando nanotubi di carbonio (CNT) come elementi costitutivi di deposizione chimica da vapore (CVD). Questo lavoro fornisce anche una strategia biomimetica generale verso la progettazione di nanomateriali gerarchici con percorsi elettronici straordinari e superfici/interfaccia sintonizzabili che possono essere utilizzate in aree di catalisi, separazione, e conversione e stoccaggio dell'energia.
Utilizzando nanoparticelle di catalizzatore (NP) con una distribuzione dimensionale bimodale durante la sintesi CVD, gli scienziati hanno ottenuto CNT simili ad alberi di vite (VT-CNT) che sono composti da CNT a parete singola simili a viti (SWCNT) che si avvolgono attorno ai CNT a parete multipla ad albero (MWCNT). I VT-CNT, descritto nel giornale di Materiale avanzato nel volume 26, Numero 41, Pagina 7051-7058, Pubblicato il 5 novembre, 2014 ("Architetture gerarchiche di nanotubi di carbonio simili a alberi di vite:autoassemblaggio CVD in situ e loro utilizzo come impalcature robuste per batterie al litio-zolfo") potrebbe servire come eccellente scaffold catodico per batterie al litio-zolfo ad alte prestazioni.
"Il motivo per cui selezioniamo i CNT come sistema modello è dovuto al fatto che i CNT sono uno degli elementi costitutivi a bassa dimensione più tipici degli ultimi 25 anni." Qiang Zhang, un Professore Associato all'Università Tsinghua, dice a Phys.Org, “La formazione di NP catalizzatori bimodali è il fattore più importante. Questo perché la dimensione delle NP del catalizzatore gioca un ruolo chiave nel numero di pareti e nel diametro dei CNT. Si prevede che le NP catalizzatrici di dimensioni più piccole catalizzano la crescita della "vite" SWCNT, mentre quelle più grandi facilitano la crescita dell'"albero" MWCNT contemporaneamente.' Di conseguenza, I VT-CNT composti da una "vite" di SWCNT che avvolge l'"albero" di MWCNT possono essere autoassemblati durante il CVD in situ degli idrocarburi.
"L'autoassemblaggio della struttura ad albero di vite può essere attribuito alla loro tendenza a ridurre al minimo l'energia di adesione interfacciale tra SWCNT e MWCNT". il primo autore Meng-Qiang Zhao ha spiegato a Phys.Org, "Tipicamente, gli SWCNT formati su minuscole NP di catalizzatore crescono sempre molto più velocemente dei MWCNT cresciuti su grandi NP di metallo. Però, la struttura VT-CNT qui descritta può portare alla corrispondenza del tasso di crescita di SWCNT 'vite' e MWCNT 'albero'." I VT-CNT ottenuti mostrano un'elevata superficie specifica di ~650 m 2 G -1 e un volume totale dei pori di ~1.6 cm 3 G -1 .
I CNT sono considerati uno dei materiali catodici più promettenti per le batterie Li-S a causa della loro notevole conduttività elettrica e delle eccellenti proprietà meccaniche. Però, la bassa superficie specifica ( <200 m 2 G -1 ) di MWCNT limita la loro capacità di accogliere lo zolfo ad elevate quantità di carico e scarsa stabilità del ciclo per i catodi MWCNT/S. Nel frattempo, gli SWCNT sono solitamente intrecciati tra loro, che degrada la loro capacità nella costruzione di reti conduttrici efficienti. "Si prevede che i VT-CNT siano candidati promettenti per materiali catodici Li-S ad alte prestazioni." ha spiegato Qiang Zhang, 'Rispetto ai MWCNT, gli SWCNT a forma di vite hanno fornito una grande quantità di struttura porosa e un'area superficiale più elevata per l'assorbimento fisico uniforme e il confinamento dello zolfo piuttosto che un semplice rivestimento fisico di zolfo sulle superfici MWCNT. I MWCNT ad albero nei VT-CNT hanno reso robusti percorsi di elettroni per garantire prestazioni di buona velocità.'
Un'elevata capacità di 1418 mAh g -1 per zolfo può essere ottenuto sui catodi VT-CNT/S. Una capacità di 530 mAh g -1 può ancora essere mantenuto anche dopo 450 cicli con una densità di corrente di 1,0 C, con la sua capacità iniziale di 832 mAh g -1 . Un tasso di dissolvenza ciclico di ca. È stato raggiunto lo 0,08%/ciclo. Una capacità di 997 e 630 mAh g -1 può ancora essere conservato ad un'elevata densità di corrente di 3,0 e 4,0 C, rispettivamente.
Nel futuro, i ricercatori sperano di controllare con precisione la struttura fine dei VT-CNT e di ottenere la loro produzione su larga scala, oltre a esplorare ulteriormente le loro applicazioni nelle aree della catalisi, protezione ambientale, nanocompositi, e dispositivi elettronici. "Il concetto di nanostrutture simili ad alberi di vite non è limitato ai CNT." ha detto il prof. Zhang, "È prevista la fabbricazione di nanostrutture simili ad alberi di vite utilizzando altri elementi costitutivi unidimensionali, verso materiali avanzati con proprietà e prestazioni eccezionali."
