I materiali di carbonio a bassa dimensionalità (LDC), inclusi il grafene e i nanotubi di carbonio, hanno attirato notevole attenzione grazie alle loro morfologie uniche e alle intriganti proprietà elettriche. Tuttavia, questi materiali sono in genere meno funzionalizzati per le applicazioni elettrochimiche. Pertanto, è fondamentale ideare un percorso di sintesi dal basso verso l'alto per i paesi meno sviluppati che possa migliorare le loro proprietà elettrochimiche e stabilire una relazione struttura-prestazioni.
Attualmente, la maggior parte dei metodi bottom-up per la sintesi dei paesi meno sviluppati richiedono precursori costosi e noiose procedure di sintesi, ostacolando così gravemente le loro applicazioni elettrochimiche.
In un recente studio pubblicato su Advanced Powder Materials , un team di ricercatori cinesi ha proposto un nuovo percorso per costruire nanostrutture di carbonio 1D/2D con proporzioni modificabili e un elevato contenuto di azoto (N), impiegando un'unica fonte iniziale di piccola molecola formammide.
Questo approccio innovativo porta alla formazione di uno specifico polimerizzato di tipo 1D (HCN)x, noto come poliaminoimidazolo (PAI). Le nanostrutture di carbonio basate su PAI cresciute in modo dimensionale possono successivamente subire carbonizzazione per ottenere strutture di carbonio 1D o 2D altamente drogate con N.
"Il metodo di sintesi proposto in questo studio è estremamente intuitivo, il che lo rende adatto per l'implementazione sia in ambienti di laboratorio che industriali", spiega uno degli autori dello studio, Guoxin Zhang, professore di sintesi controllabile di nanomateriali di carbonio presso l'Università di Shandong di Scienze e tecnologia. "I paesi meno sviluppati derivati dalla formammide presentano un contenuto di N estremamente elevato, superiore al 40 per cento atomico, misurato dopo essere stati sottoposti a trattamento solvotermico."
In particolare, anche dopo la ricottura a temperature fino a 900 °C, viene trattenuto oltre il 10% atomico del contenuto di N. "Questa affascinante scoperta consente la progettazione di un'ampia gamma di funzionalità elettrochimiche per applicazioni nello stoccaggio e nella catalisi dell'energia", ha aggiunto Zhang.
Il team ha anche fatto un'osservazione interessante riguardante l'aggiunta di melamina, un composto con tre gruppi amminici che si estendono verso l'esterno, durante il trattamento solvotermico della formammide. Introducendo la melammina come "seme", ha la capacità di trasformare il modello di crescita 1D originale della formammide in una struttura 2D, portando alla formazione di strati sottili di materiali di carbonio 2D.
Lo studio chiarisce che la crescita dei materiali di carbonio a bassa dimensionalità (LDC) sia 1D che 2D segue un percorso specifico:(1) disidratazione della formammide in molecole HCN, (2) polimerizzazione dell'HCN in tetrameri e successivi 12-meri (poliammine) , (3) decianazione dei 12-meri e infine (4) ciclizzazione intramolecolare.
La precisa struttura atomica del prodotto dei paesi meno sviluppati può essere risolta utilizzando la tecnologia di diffrazione di neutroni, consentendo la determinazione della funzione di distribuzione della coppia, come illustrato nel grafico, che corrisponde alla struttura del poliaminoimidazolo (PAI).
"Fino ad ora, è stato difficile coltivare direttamente i paesi meno sviluppati con un contenuto di azoto così elevato a temperature miti. I nostri approcci sono pionieristici nella sintesi controllabile di nanocarburi utilizzando piccoli elementi molecolari", ha affermato l'autore principale dello studio, Zongge Li. "Questi materiali possono essere efficacemente utilizzati come elettrocatalizzatori per la produzione efficiente dal punto di vista energetico di disinfettante a base di perossido di idrogeno."
Ulteriori informazioni: Zongge Li et al, Crescita in soluzione anisotropa di carbonio 1D/2D ricco di N, Materiali in polvere avanzati (2023). DOI:10.1016/j.apmate.2023.100138
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