Al introducir una gran cantidad de protuberancias en las capas de grafeno durante la síntesis de deposición química de vapor (CVD), Los científicos han fabricado grafeno de doble capa intrínsecamente no apilado con una gran superficie específica, excelente conductividad eléctrica, y estructura mesoporosa. El grafeno de doble capa sin apilar, descrito en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podrían ser excelentes materiales de cátodo para baterías de litio-azufre de alta potencia.
El grafeno es un material funcional prometedor para una variedad de aplicaciones, incluido el almacenamiento de energía, debido a sus extraordinarias propiedades eléctricas y mecánicas. Sin embargo, Las capas de grafeno tienden a apilarse entre sí debido a su enorme área de superficie y a las fuertes interacciones π-π entre el grafeno multicapa con una distancia entre capas de aprox. 0,334 nm. Este apilamiento da como resultado una superficie mucho menor del grafeno obtenido, con bajo rendimiento de almacenamiento de energía. Es necesario evitar el apilamiento para amplificar las propiedades intrínsecas del grafeno y facilitar la aplicación práctica.
Los investigadores han explorado numerosos enfoques novedosos para inhibir el apilamiento de grafeno. La mayoría de ellos se basan en la introducción de espaciadores como óxidos metálicos, polímeros conductores, negro carbón, o nanotubos de carbono en los espacios entre capas. Sin embargo, tales procesos de hibridación inevitablemente provocan cambios en las propiedades intrínsecas del grafeno y / o inducen interfaces deficientes.
Los científicos de la Universidad de Tsinghua (China) ahora han fabricado con éxito grafeno de doble capa intrínsecamente no apilado a través de CVD dirigido por plantillas. Un equipo dirigido por el profesor Qiang Zhang y Fei Wei exploró la idea de utilizar nanoflakes mesoporosos como plantilla. Las capas de grafeno se depositan sobre la plantilla mesoporosa y se moldean en su estructura mesoporosa, donde los átomos de carbono depositados en los mesoporos forman las protuberancias de grafeno y actúan como espaciadores para evitar el apilamiento de las capas de grafeno depositadas a ambos lados de las escamas mesoporosas. Como consecuencia, El grafeno de plantilla de doble capa compuesto por dos capas de grafeno con un gran número de protuberancias se puede recuperar después de la eliminación de las escamas mesoporosas.
"La presencia de un gran número de mesoporos en la plantilla de nanoflake da lugar a protuberancias con una alta densidad de aproximadamente 5,8 × 10". 14 metro -2 y los tamaños variaron de 2 a 7 nm entre capas de grafeno, "El primer autor Meng-Qiang Zhao dice a Phys.org." Las protuberancias juegan un papel importante en la prevención de la acumulación de capas de grafeno. Además, la presencia de tales protuberancias en la superficie del grafeno puede debilitar las interacciones π-π entre las capas de grafeno y así evitar el apilamiento de grafeno de plantilla de doble capa vecina hasta cierto punto ". Como resultado, el grafeno de doble capa muestra una alta superficie específica de 1628 m 2 g-1, abundantes mesoporos con un tamaño que varía de 2 a 7 nm, y un volumen total de poros de 2,0 cm 3 gramo -1 .
Las baterías de litio-azufre son una de las tecnologías de almacenamiento de energía más prometedoras debido a su alta densidad energética. Sin embargo, su densidad de potencia y su escasa estabilidad en bicicleta siempre han sido un obstáculo clave para su aplicación práctica. Cuando se utiliza grafeno de doble capa sin apilar como materiales de cátodo, los científicos pudieron fabricar baterías de litio-azufre con un excelente rendimiento de alta potencia. Altas capacidades reversibles de 1034 y 734 mA h g -1 se lograron a altas tasas de descarga de 5 y 10 C, respectivamente. Incluso después de 1000 ciclos, altas capacidades reversibles de aprox. 530 y 380 mA h g -1 fueron retenidos a 5 y 10 C, con constantes de eficiencia culómbica a ca. 96 y 98%, respectivamente.
"El excelente rendimiento de alta potencia se puede atribuir a la extraordinaria conductividad eléctrica y la estructura mesoporosa única del grafeno de doble capa sin apilar, "Explicó el profesor Zhang. La estructura porosa única del grafeno de doble capa sin apilar permite el almacenamiento efectivo de azufre en el espacio intercalar laminar mesosizado, lo que da lugar a una conexión eficaz entre el azufre y el grafeno y evita la difusión de polisulfuros en el electrolito. Como consecuencia, Se logra un excelente rendimiento de alta potencia de las celdas de litio-azufre con una alta capacidad y buena estabilidad.
"Esperamos que los materiales de grafeno de doble capa sin apilar tengan potencial en aplicaciones para la protección del medio ambiente, nanocompuestos, dispositivos electrónicos, y atención médica personal debido a su gran superficie intrínseca, extraordinaria conductividad térmica y eléctrica, robusto andamio 3D, química de superficie sintonizable, e interfaz biocompatible, "dijo el profesor Zhang, "Debido a que las nanoestructuras en capas no apiladas no se limitan al grafeno, prevemos una nueva rama de la química que evoluciona en la estabilización de nanoestructuras a través de sistemas porosos topológicos 3D ".
