La gerarchia strutturale è la pietra angolare del mondo biologico, così come la lezione più importante che abbiamo imparato dalla natura per sviluppare ingegnosi materiali porosi gerarchici per varie applicazioni nella conversione e nello stoccaggio dell'energia. Recentemente, un gruppo di ricerca cinese, guidato dal Prof. Qiang Zhang dell'Università Tsinghua, ha sviluppato un nuovo tipo di grafene poroso gerarchico (HPG) tramite una versatile deposizione chimica in fase di vapore (CVD) su modelli di CaO per batterie litio-zolfo (Li-S) ad alta potenza. Questo lavoro è pubblicato sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

"A causa dell'urgente domanda di sistemi energetici sostenibili e dispositivi portatili di accumulo di energia, la batteria Li-S è stata citata come l'alternativa più promettente per i dispositivi di accumulo di energia di prossima generazione, grazie alla sua elevata densità di energia teorica di 2600 Wh kg-1, basso costo, ed eco-compatibilità, " ha detto il Prof. Zhang. "Nonostante questi vantaggi, l'applicazione pratica soffre ancora di una sfida formidabile a causa dell'isolamento intrinseco di zolfo e solfuri di litio, la dissoluzione dei polisolfuri con effetto navetta, e l'enorme cambiamento di volume dei materiali catodici durante il funzionamento."

I ricercatori hanno cercato di sviluppare materiali nanocarbonici gerarchici con gerarchie strutturali regolabili e caratteristiche di superficie da utilizzare come scaffold catodici Li-S per affrontare efficacemente questi problemi. I materiali porosi gerarchici presentano porosità su più di una scala di lunghezza con proprietà e ruoli diversi, rispettivamente. È importante per il miglioramento delle prestazioni della batteria Li-S.

"Però, strategie con un processo multistep e/e template multiscala sono prevalentemente impiegate per ottenere porosità gerarchiche. È sempre complicato e sfavorevole ai regolamenti di struttura, "dice Cheng Tang, uno studente laureato e il primo autore.

Per la prima volta, Cheng ha proposto le particelle di CaO porose gerarchiche come modelli catalitici efficaci per la facile crescita CVD del grafene. CaO è un materiale molto comune e promettente a basso costo, facile purificazione, e promettente utilizzo ciclico. Inoltre, varie strutture gerarchiche possono essere facilmente ottenute per CaO, rendendolo una strategia versatile per fabbricare materiali HPG con gerarchia strutturale sintonizzabile.

Sulla base di questo concetto, hanno ottenuto una struttura porosa gerarchica del grafene con abbondanti vacanze interplanetarie microdimensionate, pori rugosi mesizzati, e cavità strutted macrodimensionate. Può fungere da impalcatura favorevole per i catodi delle batterie Li-S con un maggiore utilizzo di zolfo, elevata capacità di scarico ed efficienza, stabilità superiore, e capacità di tasso eccellente. I piccoli mesopori facilitano l'intrappolamento di zolfo e polisolfuri; i micropori e gli strati difettosi di grafene con un alto SSA accolgono un elevato carico di zolfo con intima affinità; i grandi mesopori e macropori interconnessi accorciano la distanza di trasporto di ioni ed elettroliti.

"Ci auguriamo che la nuova strategia di fabbricazione di materiali gerarchici di grafene poroso possa migliorare le proprietà degli scaffold catodici per l'applicazione pratica delle batterie Li-S". disse Qiang. Sono previsti ulteriori miglioramenti con una progettazione più meticolosa della struttura gerarchica e ulteriori modifiche della superficie. L'idea qui presentata apre nuove prospettive per lo sviluppo di grafene con nanoarchitettura con catalizzatori di ossido di metallo, che è fresco ma versatile verso strutture accordabili, proprietà variabili, e applicazioni promettenti.