Rappresentazione schematica del processo di formazione delle MCN a spirale. In primo luogo, il sistema micellare lamellare è stato formato agitando il reagente a 300 giri al minuto. Quindi, le micelle lamellari sono state assemblate dinamicamente nelle nanosfere mesostrutturate del PDA sotto la guida del flusso di taglio. Infine, la carbonizzazione delle nanosfere di PDA liofilizzate nell'atmosfera di N2 potrebbe portare alla formazione di MCN a spirale con un'interessante architettura chirale. Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403
È difficile sviluppare nanosfere di carbonio funzionali con porosità ben definita e complesse nanostrutture multi-shell. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Liang Peng e un gruppo di ricerca in chimica e sintesi di materiali, in Cina, hanno riportato una strategia di autoassemblaggio a spirale micellare lamellare per formare nanosfere di carbonio mesoporose multi-shell con chiralità unica. In questo metodo, il team ha introdotto il flusso di taglio per guidare l'autoassemblaggio della spirale. La risultante architettura a spirale autoportante delle nanosfere di carbonio multi-shell, in combinazione con la loro elevata area superficiale e l'abbondante contenuto di azoto con abbondanti mesopori, ha prodotto eccellenti prestazioni elettrochimiche per lo stoccaggio del potassio. L'autoassemblaggio diretto dalle micelle ha offerto una strategia semplice e potente per ispirare la progettazione di nanostrutture di materiali funzionali in futuro.
Sviluppo del sistema micellare
Il team ha sviluppato nanosfere di carbonio multi-shell (MCN) con un'architettura chirale unica, che ha comportato la creazione di un sistema micellare pluronico trimetilbenzene (TMB)/dopamina (DA) guidato dal flusso di taglio per controllare la polimerizzazione dei precursori e in modo intelligente -assemblare in nanosfere multi-shell. Le micelle lamellari sono cresciute a spirale e continuamente per formare una sfera piena stabile. Gli MCN a spirale hanno fornito una capacità di velocità superiore e una lunga stabilità di ciclo quando utilizzati come materiale anodico per batterie agli ioni di potassio. Questa strategia può aprire una piattaforma multifunzionale per costruire una varietà di nanostrutture per applicazioni. Peng et al. preparato gli MCN utilizzando una strategia di autoassemblaggio a spirale micellare lamellare utilizzando la piattaforma Pluronic come modello morbido, TMB come agente di mediazione dell'interazione idrofobica e dopamina come fonte di azoto e carbonio nella miscela etanolo/acqua. Inizialmente, Peng et al. composto le micelle lamellari nel sistema agitando a 300 rpm dalla reazione-evoluzione. Hanno quindi assemblato dinamicamente le micelle composite nelle nanosfere mesostrutturate di polidopamina (PDA) tramite flusso di taglio. La carbonizzazione delle nanosfere di polidopamina liofilizzate in atmosfera di azoto ha portato alla formazione di MCN a spirale con un'interessante architettura chirale.
Le immagini al microscopio elettronico a scansione a emissione di campo (FESEM) hanno mostrato che le nanosfere di polidopamina mesostrutturate sono molto uniformi con una dimensione media delle particelle di 180 nm. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), il team ha ripreso le nanosfere di polidopamina per mantenere una struttura cava chirale a più gusci, che hanno mantenuto senza collasso e deformazione dopo la calcinazione ad alta temperatura. Utilizzando immagini TEM ingrandite, il team ha mostrato chiaramente la crescita dell'architettura multi-shell e ha confermato la nanostruttura multi-shell 3D per mostrare la tipica fase amorfa della struttura del carbonio con molti difetti strutturali. Utilizzando mappe elementari, Peng et al. quindi ha mostrato la distribuzione uniforme di atomi di carbonio, azoto e ossigeno in ciascun guscio di carbonio. I risultati hanno indicato una struttura mesoporosa lamellare dei materiali, mentre i modelli di scattering dei raggi X a piccolo angolo hanno mostrato una nanostruttura a più gusci. Hanno quindi studiato l'effetto del solvente sulla formazione delle MCN a spirale (nanosfere di carbonio multi-shell):mentre la presenza di etanolo aiutava a formare le strutture, l'etanolo in eccesso le rendeva labili. Inoltre, aumentando il rapporto di massa dei costituenti, gli scienziati hanno variato la struttura dei prodotti da nanosfere solide lisce a costrutti a triplo guscio.
Caratterizzazione fisico-chimica delle MCN a spirale. (A) isoterme di assorbimento N2, (B) modello SAXS, (C) indagine XPS e (D) spettro N 1s XPS ad alta risoluzione degli MCN mesoporosi con architettura chirale unica preparata dalla strategia di autoassemblaggio a spirale micellare lamellare. Gli inserti da (A) a (C) sono rispettivamente la distribuzione della dimensione dei pori, l'immagine SAXS bidimensionale e le percentuali di peso dell'elemento. a.u., unità arbitrarie. Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403
Morfologia e struttura delle MCN (nanosfere di carbonio multi-shell)
La quantità di precursore e la velocità di agitazione hanno influenzato anche la morfologia e la mesostruttura degli MCN nel sistema di reazione. Aumentando la quantità di dopamina, Peng et al. messo a punto la struttura dei prodotti ottenuti da sottili nano-dischi a una miscela di singole nanosfere cave e multi-shell. Aumentando la dopamina, hanno ulteriormente sviluppato nanosfere a guscio quintuplo puro con un'architettura chirale completamente sviluppata. I risultati hanno anche evidenziato l'agitazione come forza trainante per l'autoassemblaggio di nanostrutture multi-shell. Il team ha regolato la morfologia e la mesostruttura dei prodotti influenzando il rapporto idrofobico e idrofilo dei modelli di copolimero utilizzati durante il loro sviluppo.
Illustrazione schematica del meccanismo di formazione delle nanosfere di carbonio mesoporose con diverse architetture. Una serie di nanosfere di carbonio mesoporoso è stata preparata utilizzando vari copolimeri triblocco con diversi rapporti idrofobici/idrofili come modelli:(A) F108, (B) F127, (C) P105 e (D) P123. Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403
Prestazioni elettrochimiche dei costrutti e delle batterie agli ioni di potassio
Per valutare le prestazioni elettrochimiche, Peng et al. ha utilizzato per la prima volta la voltammetria ciclica (CV) nell'ambito di tensione da 0,01 a 3,0 V. Utilizzando immagini TEM (microscopia elettronica a trasmissione) e analisi dell'isoterma di assorbimento di azoto, il team ha mostrato come la struttura mesoporosa a più gusci potrebbe essere ben mantenuta dopo un lungo termine ciclo. A densità di corrente più elevate, i vantaggi dei costrutti a più gusci a spirale sono diventati più evidenti. Le MCN hanno presentato una capacità di velocità interessante e prestazioni ciclistiche impressionanti. Per ottenere ulteriori approfondimenti sul comportamento elettrochimico dell'elettrodo MCN, Peng et al. ha condotto analisi cinetiche e quantitative basate su prove di voltammetria ciclica a velocità di scansione variabili. I risultati hanno rivelato il graduale aumento del rapporto di contributo capacitivo con l'aumento della velocità di scansione per dimostrare i vantaggi della struttura a spirale multi-shell.
Caratterizzazione della microstruttura delle MCN a spirale. (A) immagine FESEM, (B e D) immagine TEM, (E e F) immagini TEM ingrandite e (C e G) scansione TEM e immagini di mappatura degli elementi a raggi X a dispersione di energia degli MCN mesoporosi con un'architettura chirale unica preparata dalla strategia di autoassemblaggio a spirale micellare lamellare. Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403
La controllabilità e la versatilità del metodo sintetico. Immagini FESEM e TEM delle nanosfere di carbonio mesoporose preparate regolando la curvatura interfacciale delle micelle utilizzando diversi copolimeri triblocco pluronici:(da A a C) F108, (da D a F) F127, (da G a I) P105 e (da J a L ) P123. (M) I corrispondenti istogrammi di distribuzione dei diametri delle particelle e delle dimensioni dei pori. Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abi7403
In questo modo, Liang Peng e colleghi hanno creato direttamente strutture di carbonio multi-shell utilizzando l'autoassemblaggio del copolimero a blocchi e regolato razionalmente la struttura delle micelle introducendo agenti di mediazione appropriati per bilanciare il risultato. Hanno sviluppato nanosfere di carbonio multi-shell uniformi con porosità ben definita e un'architettura unica basata su un approccio di autoassemblaggio a spirale micellare lamellare. L'approccio prevedeva l'introduzione del flusso di taglio per guidare continuamente le micelle lamellari ad autoassemblarsi in nanosfere stabili a più gusci. La struttura micellare può essere sistematicamente sintonizzata regolando il rapporto tra tensioattivi per creare nanosfere simili a fiori e multi-guscio. Le MCN risultanti hanno fornito un'eccellente capacità di velocità, un'architettura chirale senza precedenti e una stabilità ciclica a lungo termine per le batterie agli ioni di potassio. Il lavoro rappresenta una piattaforma multifunzionale per sintetizzare nuove nanostrutture per applicazioni avanzate, insieme a informazioni fondamentali sull'autoassemblaggio e sulla chimica diretti dalle micelle. + Esplora ulteriormente
© 2021 Rete Scienza X
