Es un desafío desarrollar nanoesferas de carbono funcionales con porosidad bien definida y nanoestructuras complejas de múltiples capas. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Liang Peng y un equipo de investigación en química y síntesis de materiales, en China, informaron sobre una estrategia de autoensamblaje en espiral de micelas laminares para formar nanoesferas de carbono mesoporosas de múltiples capas con una quiralidad única. En este método, el equipo introdujo el flujo de corte para impulsar el autoensamblaje en espiral. La arquitectura en espiral de autosoporte resultante de las nanoesferas de carbono de múltiples capas en combinación con su área de superficie alta y abundante contenido de nitrógeno con abundantes mesoporos produjo un excelente rendimiento electroquímico para el almacenamiento de potasio. El autoensamblaje dirigido por micelas ofreció una estrategia simple y poderosa para inspirar el diseño de nanoestructuras de materiales funcionales en el futuro.

Desarrollo del sistema micelar

El equipo desarrolló nanoesferas de carbono (MCN) de múltiples capas con una arquitectura quiral única, lo que implicó la creación de un sistema de micelas de trimetilbenceno (TMB)/dopamina (DA) Pluronic laminar impulsado por el flujo de cizallamiento para controlar la polimerización de precursores y autocontrolarse inteligentemente. -ensamblar en nanoesferas de múltiples capas. Las micelas lamelares crecieron en espiral y de forma continua para formar una esfera completa estable. Los MCN en espiral brindaron una capacidad de velocidad superior y una estabilidad de ciclos prolongados cuando se utilizaron como material de ánodo para baterías de iones de potasio. Esta estrategia puede abrir una plataforma multifuncional para construir una variedad de nanoestructuras para aplicaciones. Peng et al. preparó los MCN utilizando una estrategia de autoensamblaje en espiral de micelas lamelares utilizando la plataforma Pluronic como plantilla blanda, TMB como agente de mediación de interacción hidrofóbica y dopamina como fuente de nitrógeno y carbono en la mezcla de etanol/agua. Al principio, Peng et al. compuso las micelas lamelares en el sistema agitando a 300 rpm a partir de la reacción-evolución. Luego ensamblaron dinámicamente las micelas compuestas en nanoesferas de polidopamina mesoestructurada (PDA) a través del flujo de corte. La carbonización de las nanoesferas de polidopamina liofilizadas en una atmósfera de nitrógeno condujo a la formación de MCN en espiral con una arquitectura quiral interesante.

Caracterización y desarrollo de materiales

Las imágenes de microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) mostraron que las nanoesferas de polidopamina mesoestructuradas eran muy uniformes con un tamaño de partícula promedio de 180 nm. Usando microscopía electrónica de transmisión (TEM), el equipo obtuvo imágenes de las nanoesferas de polidopamina para mantener una estructura hueca quiral de múltiples capas, que retuvieron sin colapsar ni deformarse después de la calcinación a alta temperatura. Usando imágenes TEM ampliadas, el equipo mostró claramente el crecimiento de la arquitectura de capas múltiples y confirmó la nanoestructura de capas múltiples en 3D para mostrar la fase amorfa típica del marco de carbono con muchos defectos estructurales. Usando mapas elementales, Peng et al. luego mostró la distribución uniforme de los átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno en cada capa de carbono. Los resultados indicaron una estructura mesoporosa lamelar de los materiales, mientras que los patrones de dispersión de rayos X de ángulo pequeño mostraron una nanoestructura de capas múltiples. Luego, también estudiaron el efecto del solvente en la formación de las MCN espirales (nanoesferas de carbono de múltiples capas), mientras que la presencia de etanol ayudó a formar las estructuras, el exceso de etanol hizo que fueran lábiles. Además, al aumentar la proporción de masa de los constituyentes, los científicos variaron la estructura de los productos, desde nanoesferas sólidas y lisas hasta construcciones de triple cubierta.

Morfología y estructura de las MCN (nanoesferas de carbono de múltiples capas)

La cantidad de precursor y la velocidad de agitación también afectaron la morfología y la mesoestructura de las MCN en el sistema de reacción. Al aumentar la cantidad de dopamina, Peng et al. ajustó la estructura de los productos obtenidos a partir de nanodiscos delgados a una mezcla de nanoesferas huecas individuales y de varias capas. Al aumentar la dopamina, desarrollaron aún más nanoesferas puras de capa quíntuple con una arquitectura quiral completamente desarrollada. Los resultados también destacaron la agitación como fuerza motriz para el autoensamblaje de nanoestructuras de múltiples capas. El equipo reguló la morfología y la mesoestructura de los productos al afectar la proporción hidrofóbica e hidrofílica de las plantillas de copolímero utilizadas durante su desarrollo.

Rendimiento electroquímico de las construcciones y baterías de iones de potasio

Para evaluar el rendimiento electroquímico, Peng et al. utilizó por primera vez la voltametría cíclica (CV) en el rango de voltaje de 0,01 a 3,0 V. Usando imágenes TEM (microscopía electrónica de transmisión) y análisis de isotermas de absorción de nitrógeno, el equipo mostró cómo la estructura mesoporosa de múltiples capas podría mantenerse bien después de un largo plazo. ciclo. A densidades de corriente más altas, las ventajas de las construcciones de múltiples capas en espiral se hicieron más prominentes. Los MCN presentaron una capacidad de velocidad atractiva y un rendimiento de ciclismo impresionante. Para obtener más información sobre el comportamiento electroquímico del electrodo MCN, Peng et al. realizó análisis cinéticos y cuantitativos basados ​​en pruebas de voltamperometría cíclica a diferentes velocidades de barrido. Los resultados revelaron el aumento gradual de la relación de contribución capacitiva con el aumento de la velocidad de exploración para demostrar las ventajas de la estructura en espiral de múltiples capas.

Perspectiva

De esta manera, Liang Peng y sus colegas crearon directamente estructuras de carbono de varias capas utilizando el autoensamblaje de copolímeros en bloque y regularon racionalmente la estructura de la micela mediante la introducción de agentes de mediación apropiados para equilibrar el resultado. Desarrollaron nanoesferas de carbono uniformes de varias capas con una porosidad bien definida y una arquitectura única basada en un enfoque de autoensamblaje en espiral de micelas laminares. El enfoque incluía la introducción del flujo de cizallamiento para hacer que las micelas lamelares se autoensamblaran de forma continua en nanoesferas estables de varias capas. La estructura micelar se puede ajustar sistemáticamente mediante la regulación de la proporción de tensioactivos para crear nanoesferas con forma de flor y con múltiples capas. Los MCN resultantes brindaron una excelente capacidad de velocidad, una arquitectura quiral sin precedentes y una estabilidad cíclica a largo plazo para las baterías de iones de potasio. El trabajo representa una plataforma multifuncional para sintetizar nuevas nanoestructuras para aplicaciones avanzadas, junto con información fundamental sobre química y autoensamblaje dirigido por micelas. + Explora más

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