Por en el lugar Dopaje con nitrógeno e hibridación estructural de nanotubos de carbono (CNT) y grafeno a través de una deposición química de vapor (CVD) en dos pasos, Los científicos han fabricado sándwiches de grafeno / nanotubos de carbono alineados dopados con nitrógeno (N-ACNT / G) con vías de transferencia de electrones tridimensionales (3D). canales de difusión de iones interconectados, y mayor afinidad y actividad interfacial. Los sándwiches N-ACNT / G tal como se fabrican, descrito en la revista Materiales avanzados el 17 de septiembre de 2014, demostraron rendimientos de alta velocidad en baterías de litio-azufre (Li-S).

CNT y grafeno, el sp más destacado ² nanomateriales de carbono enlazados durante las últimas décadas, han atraído una enorme atención en el área del almacenamiento de energía, catálisis heterogénea, cuidado de la salud, protección del medio ambiente, así como nanocompuestos, que dependen en gran medida no solo de sus propiedades físicas intrínsecas superiores, como la resistencia mecánica, conductividad eléctrica y térmica, sino también en sus caracteres químicos sintonizables, como grupos funcionales, dopaje y modificación de la superficie. Sin embargo, el nanocarbono que contiene heteroátomos tiende a agregarse debido a las fuertes interacciones de van der Waals y a la explosión de una gran superficie, lo que limita constantemente la demostración de sus propiedades físicas intrínsecas y sus prestaciones en materiales tal como se fabrican y dispositivos prácticos.

La combinación de CNT y grafeno en compuestos híbridos 3D generalmente puede mitigar la autoagregación y el reapilamiento de materiales de nanocarbono y también amplificar las propiedades físicas a macroescala. Hasta ahora, Se han explorado varias estrategias para fabricar tales híbridos CNT / grafeno, incluidos los métodos posteriores a la organización y el crecimiento in situ, mientras que la integración de CNT de alta calidad y grafeno sin capas de barrera sigue siendo difícil.

Un equipo de la Universidad de Tsinghua (China), liderados por el profesor Qiang Zhang y Fei Wei, ahora han fabricado con éxito híbridos N-ACNT / G tipo sándwich a través de un crecimiento catalítico de dos pasos en materiales naturales bifuncionales. Los CNT alineados se intercalaron en primer lugar en los espacios entre capas del catalizador en capas incrustado con nanopartículas metálicas (NP) a través de un CVD de baja temperatura (L-T), y el grafeno se depositó secuencialmente sobre la superficie de las escamas laminares en la parte inferior de los CNT alineados a través de un CVD de alta temperatura (H-T). El NH3 se introdujo simultáneamente durante el crecimiento de CVD para la incorporación de átomos de nitrógeno en la estructura de carbono. Después de la eliminación del catalizador, Los CNT y el grafeno alineados alternativamente se conectaron verticalmente entre sí en una periodicidad de largo alcance, formando así una estructura similar a un emparedado.

"El problema clave para la fabricación de la nueva arquitectura N-ACNT / G es que los CNT y el grafeno alineados de alta calidad se cultivaron en los NP y las escamas laminares en L- y H-T CVD, respectivamente y conjuntamente ". El primer autor, Cheng Tang, explicó a Phys.Org, ''De este modo, La conexión perfecta de CNT alineados de alta calidad y grafeno proporcionó vías de transferencia de electrones 3D y canales de difusión de iones interconectados. También, el dopaje con nitrógeno indujo una modulación química moderada en la estructura del carbono, con lo que se mejora la afinidad interfacial y la actividad electroquímica ".

Uno de los candidatos más prometedores para las fuentes de energía de próxima generación, La batería Li-S tiene una densidad de energía teórica muy alta de 2600 Wh kg ^-1 , abundancia natural del elemento azufre, y amigable con el medio ambiente. "Tratamos de mejorar el rendimiento cíclico y de velocidad de las baterías Li-S para aplicaciones prácticas con los híbridos N-ACNT / G como materiales de cátodo". dijo el profesor Wei. Una alta capacidad reversible inicial de 1152 mAh g ^-1 puede estar disponible a 1.0 C, manteniendo ca. 880 mAh g ^-1 después de 80 ciclos, que era aproximadamente un 65% más alto que el de los CNT únicos alineados. Incluso a una alta densidad de corriente de 5,0 C, una capacidad reversible de aprox. 770 mAh g ^-1 puede lograrse.

"La notable capacidad cíclica y la capacidad de velocidad se pueden atribuir a las nuevas características estructurales y químicas de los sándwiches N-ACNT / G", Prof. Zhang elaboró, "La unión perfecta de CNT y grafeno alineados cultivados por CVD proporciona una rápida transferencia de electrones y robustez mecánica. El espacio mesoporoso interconectado en 3D mejora la penetración y difusión de electrolitos. Además, las interfaces modificadas con nitrógeno dan lugar a una afinidad interfacial mejorada para el confinamiento y la utilización eficientes de azufre y polisulfuros ".

"Se espera que los sándwiches N-ACNT / G tengan varias aplicaciones potenciales en el área de nanocompuestos, almacen de energia, protección del medio ambiente, dispositivo electronico, así como la asistencia sanitaria, debido a su robusta estructura jerárquica, Vías de transferencia de electrones 3D y canales de difusión de iones, y una mayor afinidad y actividad interfacial también ". El Prof. Zhang dijo:"Dado que dicha estrategia de diseño y fabricación es de aplicación general, prevemos una nueva rama de la química de materiales que evoluciona en el área de nanoestructuras jerárquicas avanzadas a través de los nanosistemas topológicos 3D y la modificación interfacial ".