Las arquitecturas jerárquicas de nanotubos de carbono en forma de árbol de vid compuestas por nanotubos de carbono de pared simple en forma de vid que envuelven los nanotubos de carbono de paredes múltiples en forma de árbol se fabrican a través del autoensamblaje de deposición de vapor químico in situ. Las nanoarquitecturas parecidas a árboles de vid exhiben una excelente estabilidad cíclica y un rendimiento de velocidad cuando se emplean como andamios de cátodos para baterías de litio-azufre.
La estructura del árbol de la vid se observa ampliamente en la naturaleza cuando la planta tiene un hábito de crecimiento de tallos trepadores o trepadores. Las enredaderas utilizan árboles para el crecimiento en lugar de dedicar energía al desarrollo del tejido de apoyo, permitiendo que la vid alcance la luz del sol con una mínima inversión de energía. Los árboles también pueden facilitar el transporte de sustancias nutritivas. Estas estructuras jerárquicas de los árboles de vid ofrecen sinergia entre las enredaderas y los árboles, así como la máxima utilización de la luz solar y el suelo y el espacio limitados. que también podría ser una arquitectura universal prometedora tanto en el macro como en el micromundo.
La combinación de nanomateriales de baja dimensión con distintas propiedades físicas y químicas en nanoestructuras jerárquicas tridimensionales (3D) es un tema de investigación candente debido a las ventajas de cada componente y sugiere la formación de materiales avanzados con propiedades inesperadas para aplicaciones únicas. Se espera que una nanoestructura similar a un árbol de vid tenga una alta eficiencia para la adsorción y reacción de iones del electrolito, así como para la transferencia de electrones. Esto podría conducir a materiales de electrodo de alto rendimiento para dispositivos de almacenamiento de energía.
El nuevo trabajo del profesor Qiang Zhang y el grupo de investigación de Fei Wei en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Tsinghua (China) informa sobre el autoensamblaje in situ de nanoestructura similar a un árbol de vid utilizando nanotubos de carbono (CNT) como bloques de construcción por deposición química de vapor (CVD). Este trabajo también proporciona una estrategia biomimética general hacia el diseño de nanomateriales jerárquicos con vías de electrones extraordinarias, así como una superficie / interfaz sintonizable que se puede utilizar en áreas de catálisis. separación, y conversión y almacenamiento de energía.
Mediante el uso de nanopartículas de catalizador (NP) con una distribución de tamaño bimodal durante la síntesis de CVD, Los científicos han obtenido CNT en forma de árbol de vid (VT-CNT) que se componen de CNT de pared simple en forma de vid (SWCNT) que envuelven los CNT de pared múltiple en forma de árbol (MWCNT). Los VT-CNT, descrito en la revista de Materiales avanzados en el Volumen 26, Número 41, Página 7051-7058, Publicado el 5 de noviembre de 2014 ('Arquitecturas jerárquicas de nanotubos de carbono similares a árboles de vid:autoensamblaje de CVD in situ y su uso como andamios robustos para baterías de litio y azufre') podría servir como excelentes andamios de cátodos para baterías de litio y azufre de alto rendimiento.
"La razón por la que seleccionamos los CNT como sistema modelo se debe al hecho de que los CNT son uno de los componentes básicos de baja dimensión más típicos de los últimos 25 años". Qiang Zhang, un profesor asociado en la Universidad de Tsinghua, le dice a Phys.Org, «La formación de NP catalizadoras bimodales es el factor más importante. Esto se debe a que el tamaño de los NP del catalizador juega un papel clave en el número de pared y el diámetro de los CNT. Se espera que los NP catalizadores con un tamaño más pequeño catalicen el crecimiento de la 'vid' SWCNT mientras que los más grandes facilitan el crecimiento del 'árbol' MWCNT simultáneamente '. Como consecuencia, Los VT-CNT compuestos de envoltura de 'vid' SWCNT alrededor del 'árbol' MWCNT pueden autoensamblarse durante la CVD in situ de hidrocarburos.
"El autoensamblaje de la estructura en forma de árbol de vid se puede atribuir a su tendencia a minimizar la energía de adhesión interfacial entre SWCNT y MWCNT". El primer autor Meng-Qiang Zhao explicó a Phys.Org, "Típicamente, los SWCNT que se forman en pequeñas NP de catalizador siempre crecen mucho más rápido que los MWCNT que crecen en grandes NP de metal. Sin embargo, la estructura VT-CNT aquí puede conducir a la coincidencia de la tasa de crecimiento de SWCNT 'vid' y MWCNT 'árbol'. "Los VT-CNT obtenidos muestran una alta superficie específica de ~ 650 m 2 gramo -1 y un volumen de poro total de ~ 1,6 cm 3 gramo -1 .
Los CNT se consideran uno de los materiales de cátodo más prometedores para las baterías Li-S debido a su notable conductividad eléctrica y excelentes propiedades mecánicas. Sin embargo, la baja superficie específica ( <200 m 2 gramo -1 ) de MWCNTs limita su capacidad para acomodar azufre a una alta cantidad de carga y poca estabilidad cíclica para los cátodos MWCNT / S. Mientras tanto, los SWCNT suelen estar enredados entre sí, lo que degrada su capacidad en la construcción de redes conductoras eficientes. "Se espera que los VT-CNT sean candidatos prometedores para materiales de cátodo Li-S de alto rendimiento". explicó Qiang Zhang, 'En comparación con MWCNT, los SWCNT en forma de vid proporcionaron una gran cantidad de estructura porosa y un área de superficie más alta para la absorción física uniforme y el confinamiento del azufre en lugar de una simple capa física de azufre en las superficies del MWCNT. Los MWCNT en forma de árbol en los VT-CNT proporcionaron rutas de electrones robustas para garantizar un buen rendimiento de velocidad '.
Una alta capacidad de 1418 mAh g -1 por azufre se puede lograr en los cátodos VT-CNT / S. Una capacidad de 530 mAh g -1 todavía se puede retener incluso después de 450 ciclos a una densidad de corriente de 1.0 C, con su capacidad inicial de 832 mAh g -1 . Una tasa de desvanecimiento cíclico de aprox. Se alcanzó un 0,08% / ciclo. Una capacidad de 997 y 630 mAh g -1 todavía se puede conservar a una alta densidad de corriente de 3,0 y 4,0 C, respectivamente.
En el futuro, los investigadores esperan controlar con precisión la estructura fina de los VT-CNT y lograr su producción a gran escala, así como explorar más a fondo sus aplicaciones en las áreas de catálisis, protección del medio ambiente, nanocompuestos, y dispositivos electrónicos. "El concepto de nanoestructuras parecidas a árboles de vid no se limita a los NTC". dijo el profesor Zhang, 'Se prevé la fabricación de nanoestructuras similares a árboles de vid utilizando otros bloques de construcción unidimensionales, hacia materiales avanzados con propiedades y prestaciones excepcionales ".
