Introducendo un gran numero di protuberanze sugli strati di grafene durante la sintesi della deposizione chimica da vapore (CVD), gli scienziati hanno fabbricato grafene a doppio strato intrinsecamente non impilato con un'elevata superficie specifica, ottima conducibilità elettrica, e struttura mesoporosa. Il grafene a doppio strato non impilato, descritto nel giornale Comunicazioni sulla natura , potrebbero essere ottimi materiali catodici per batterie al litio-zolfo ad alta potenza.
Il grafene è un materiale funzionale promettente per una varietà di applicazioni, tra cui l'accumulo di energia, grazie alle sue straordinarie proprietà elettriche e meccaniche. Però, gli strati di grafene tendono ad impilarsi l'uno con l'altro a causa della loro enorme area superficiale e delle forti interazioni π-π tra grafene multistrato con una distanza tra gli strati di ca. 0,334nm. Questo impilamento si traduce in una superficie molto più piccola del grafene ottenuto, con scarse prestazioni di accumulo di energia. È necessario evitare l'impilamento per amplificare le proprietà intrinseche del grafene e facilitare l'applicazione pratica.
I ricercatori hanno esplorato numerosi nuovi approcci per inibire l'impilamento del grafene. La maggior parte di essi si basa sull'introduzione di distanziatori come ossidi metallici, polimeri conduttori, carbone nero, o nanotubi di carbonio negli spazi intercalari. Però, tali processi di ibridazione causano inevitabilmente cambiamenti nelle proprietà intrinseche del grafene e/o inducono interfacce scadenti.
Gli scienziati della Tsinghua University (Cina) hanno ora fabbricato con successo grafene a doppio strato intrinsecamente non impilato attraverso CVD diretto da modelli. Un team guidato dal Prof. Qiang Zhang e Fei Wei ha esplorato l'idea di utilizzare nanoflakes mesoporosi come modello. Gli strati di grafene vengono depositati sul modello mesoporoso e colati nella sua struttura mesoporosa, dove gli atomi di carbonio depositati nei mesopori formano le protuberanze di grafene e fungono da distanziatori per impedire l'accatastamento degli strati di grafene depositati su entrambi i lati dei fiocchi mesoporosi. Di conseguenza, il grafene stampo a doppio strato composto da due strati di grafene con un gran numero di protuberanze può essere recuperato dopo la rimozione dei fiocchi mesoporosi.
"La presenza di un gran numero di mesopori nello stampo nanoflake dà origine a protuberanze con un'alta densità di ca. 5,8 × 10 14 m -2 e le dimensioni variavano da 2 a 7 nm tra gli strati di grafene, "Il primo autore Meng-Qiang Zhao dice a Phys.org. "Le protuberanze giocano un ruolo importante nell'impedire l'accatastamento degli strati di grafene. Oltretutto, la presenza di tali protuberanze sulla superficie del grafene può indebolire le interazioni π-π tra gli strati di grafene e quindi impedire in una certa misura l'impilamento del vicino grafene modello a doppio strato." Di conseguenza, il grafene a doppio strato mostra un'elevata superficie specifica di 1628 m 2 g-1, mesopori abbondanti con dimensioni comprese tra 2 e 7 nm, e un volume totale dei pori di 2,0 cm 3 G -1 .
Le batterie al litio-zolfo sono una delle tecnologie di accumulo di energia più promettenti a causa dell'elevata densità di energia. Però, la loro densità di potenza e la scarsa stabilità in bicicletta sono sempre stati un ostacolo chiave per la loro applicazione pratica. Quando si utilizza il grafene a doppio strato non impilato come materiale del catodo, gli scienziati sono stati in grado di fabbricare batterie al litio-zolfo con eccellenti prestazioni ad alta potenza. Elevate capacità reversibili di 1034 e 734 mA h g -1 sono stati raggiunti a velocità di scarica elevate di 5 e 10 C, rispettivamente. Anche dopo 1000 cicli, elevate capacità reversibili di ca. 530 e 380 mA h g -1 sono stati mantenuti a 5 e 10 C, con efficienze coulombiane costanti a ca. 96 e 98 %, rispettivamente.
"Le eccellenti prestazioni ad alta potenza possono essere attribuite alla straordinaria conduttività elettrica e alla struttura mesoporosa unica del grafene a doppio strato non impilato, " Ha spiegato il prof. Zhang. L'esclusiva struttura porosa del grafene a doppio strato non impilato consente l'efficace stoccaggio dello zolfo nello spazio intercalare lamellare mesodimensionato, che dà luogo ad un efficiente collegamento tra lo zolfo e il grafene e impedisce la diffusione dei polisolfuri nell'elettrolita. Di conseguenza, si ottiene un'eccellente prestazione ad alta potenza delle celle litio-zolfo con un'elevata capacità e una buona stabilità.
"Ci aspettiamo che i materiali di grafene a doppio strato non impilati abbiano un potenziale nelle applicazioni per la protezione ambientale, nanocompositi, dispositivi elettronici, e l'assistenza sanitaria personale a causa della loro ampia superficie intrinseca, straordinaria conducibilità termica ed elettrica, robusto ponteggio 3D, chimica di superficie sintonizzabile, e interfaccia biocompatibile, " ha detto il prof. Zhang, "Poiché le nanostrutture stratificate non impilate non si limitano al grafene, prevediamo una nuova branca della chimica in evoluzione nella stabilizzazione delle nanostrutture attraverso sistemi porosi topologici 3D."
