Una fibra di carbonio ricoperta da una foresta appuntita di nanofili NiCoHC. Credito:Creative Commons Attribuzione 4.0 Licenza Internazionale, 2018 KAUST
Combinando più nanomateriali in un'unica struttura, gli scienziati possono creare materiali ibridi che incorporano le migliori proprietà di ciascun componente e superano qualsiasi singola sostanza. Presso KAUST è stato ora sviluppato un metodo controllato per realizzare nanostrutture cave a triplo strato. Le strutture ibride sono costituite da un nucleo organico conduttivo inserito tra strati di metalli elettrocataliticamente attivi:i loro potenziali usi vanno da migliori elettrodi per batterie alla produzione di carburante rinnovabile.
Sebbene esistano diversi metodi per creare materiali a due strati, realizzare strutture a tre strati si è rivelato molto più difficile, afferma Peng Wang del Centro di desalinizzazione e riutilizzo dell'acqua che ha co-diretto l'attuale ricerca con il professor Yu Han, membro dell'Advanced Membranes and Porous Materials Center di KAUST. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo, approccio a doppio modello, spiega Sifei Zhuo, un membro postdottorato del team di Wang.
I ricercatori hanno coltivato il loro nanomateriale ibrido direttamente su carta carbone, un tappetino di fibre di carbonio elettricamente conduttive. Per prima cosa hanno prodotto una foresta irta di nanofili di carbonato idrossilico di nichel cobalto (NiCoHC) sulla superficie di ciascuna fibra di carbonio (immagine 1). Ogni minuscola setola inorganica è stata rivestita con uno strato organico chiamato grafiina sostituita con idrogeno (HsGDY) (immagine 2).
Il prossimo è stato il passaggio chiave del doppio modello. Quando il team ha aggiunto una miscela chimica che reagisce con il NiCoHC interno, l'HsGDY ha agito come una barriera parziale. Alcuni ioni nichel e cobalto dallo strato interno si sono diffusi verso l'esterno, dove hanno reagito con tiomolibdato dalla soluzione circostante per formare il nichel esterno, MoS . cobalto-co-drogato 2 (Ni, Co-MoS 2 ) strato. Nel frattempo, alcuni ioni zolfo dalle sostanze chimiche aggiunte si diffondono verso l'interno per reagire con il restante nichel e cobalto. La sostanza risultante (immagine 3) aveva la struttura Co 9 S 8 , Ni 3 S 2 @HsGDY@Ni, Co-MoS 2 , in cui lo strato HsGDY organico conduttivo è racchiuso tra due strati inorganici (immagine 4).
Primi piani dei nanofili confermano che sono stati rivestiti con un sottile strato organico. Credito:Creative Commons Attribuzione 4.0 Licenza Internazionale, 2018 KAUST
Il materiale a triplo strato ha mostrato buone prestazioni nella rottura elettrocatalitica delle molecole d'acqua per generare idrogeno, un potenziale combustibile rinnovabile. I ricercatori hanno anche creato altri materiali a triplo strato utilizzando l'approccio a doppio modello
"Queste nanostrutture a triplo strato hanno un grande potenziale nella conversione e nello stoccaggio dell'energia, " dice Zhuo. "Riteniamo che potrebbe essere esteso per fungere da elettrodo promettente in molte applicazioni elettrochimiche, come nei supercondensatori e nelle batterie agli ioni di sodio/litio, e per l'uso nella desalinizzazione dell'acqua."
I nanofili a triplo strato completati. Credito:Creative Commons Attribuzione 4.0 Licenza Internazionale, 2018 KAUST
Mappatura elementare zolfo confermato (giallo), nichel (verde) cobalto (rosso) e molibdeno (blu) formavano gli strati interno ed esterno, a sandwich uno strato organico ricco di carbonio (rosa). Credito:King Abdullah University of Science and Technology
