La jerarquía estructural es la piedra angular del mundo biológico, así como la lección más importante que hemos aprendido de la naturaleza para desarrollar ingeniosos materiales porosos jerárquicos para diversas aplicaciones en conversión y almacenamiento de energía. Recientemente, un grupo de investigación de China, dirigido por el profesor Qiang Zhang en la Universidad de Tsinghua, ha desarrollado un nuevo tipo de grafeno poroso jerárquico (HPG) a través de una deposición química de vapor (CVD) versátil en plantillas de CaO para baterías de litio-azufre (Li-S) de alta potencia. Este trabajo se publica en la revista Materiales funcionales avanzados .

"Debido a la urgente demanda de sistemas de energía sostenibles y dispositivos portátiles de almacenamiento de energía, la batería Li-S ha sido citada como la alternativa más prometedora para los dispositivos de almacenamiento de energía de próxima generación, debido a su alta densidad de energía teórica de 2600 Wh kg-1, bajo costo, y respeto al medio ambiente, ", dijo el profesor Zhang." A pesar de estas ventajas, la aplicación práctica todavía sufre un desafío formidable debido al aislamiento intrínseco de azufre y sulfuros de litio, la disolución de polisulfuros con efecto lanzadera, y el enorme cambio de volumen de los materiales del cátodo durante la operación ".

Los investigadores han estado buscando desarrollar materiales de nanocarbono jerárquicos con jerarquías estructurales ajustables y características de superficie para usar como andamios de cátodos de Li-S para abordar estos problemas de manera efectiva. Los materiales porosos jerárquicos exhiben porosidades en más de una escala de longitud con diferentes propiedades y roles, respectivamente. Es importante para mejorar el rendimiento de la batería Li-S.

"Sin embargo, Las estrategias con un proceso de varios pasos o plantillas de varias escalas se emplean predominantemente para obtener porosidades jerárquicas. Siempre es complicado y desfavorable a la normativa de estructura, "dice Cheng Tang, estudiante de posgrado y primer autor.

Por primera vez, Cheng propuso las partículas jerárquicas porosas de CaO como plantillas catalíticas efectivas para el fácil crecimiento de CVD del grafeno. CaO es un material muy común y prometedor con un bajo costo, fácil purificación, y utilización cíclica prometedora. Adicionalmente, Se pueden obtener fácilmente varias estructuras jerárquicas para CaO, lo que lo convierte en una estrategia versátil para fabricar materiales HPG con jerarquía estructural ajustable.

Basado en este concepto, Obtuvieron una estructura jerárquica porosa de grafeno con abundantes vacantes en el plano de tamaño micro, poros arrugados mesosized, y cavidades macrosizadas con puntal. Puede servir como un andamio favorable para cátodos de baterías Li-S con una mejor utilización de azufre, alta capacidad de descarga y eficiencia, estabilidad superior, y excelente capacidad de tasa. Los pequeños mesoporos facilitan el atrapamiento de azufre y polisulfuros; los microporos y las capas de grafeno defectuosas con un alto SSA se adaptan a una alta carga de azufre con una afinidad íntima; los grandes mesoporos y macroporos interconectados acortan la distancia de transporte de iones y electrolitos.

"Esperamos que la nueva estrategia de fabricación de materiales de grafeno poroso jerárquico pueda mejorar las propiedades de los andamios catódicos para la aplicación práctica de las baterías Li-S". dijo Qiang. Se esperan más mejoras con un diseño más meticuloso de la estructura jerárquica y una modificación adicional de la superficie. La idea que aquí se presenta abre nuevas perspectivas para desarrollar grafeno nanoarquitecturado con catalizadores de óxidos metálicos, que es fresco pero versátil hacia estructuras sintonizables, propiedades variables, y aplicaciones prometedoras.