Des architectures hiérarchiques de nanotubes de carbone en forme de vigne composées de nanotubes de carbone à paroi unique en forme de vigne s'enroulant autour des nanotubes de carbone à parois multiples en forme d'arbre sont fabriquées par auto-assemblage par dépôt chimique en phase vapeur in situ. Les nanoarchitectures en forme de vigne présentent une excellente stabilité de cyclage et une excellente performance de vitesse lorsqu'elles sont utilisées comme échafaudages cathodiques pour les batteries lithium-soufre.
La structure de vigne-arbre est largement observée dans la nature lorsque la plante a une habitude de croissance de tiges rampantes ou grimpantes. Les vignes utilisent les arbres pour la croissance plutôt que de consacrer de l'énergie au développement des tissus de soutien, permettant à la vigne d'atteindre la lumière du soleil avec un investissement énergétique minimum. Les arbres peuvent également faciliter le transport des substances nutritives. De telles structures hiérarchisées vigne-arbre offrent une synergie entre les vignes et les arbres ainsi que l'utilisation maximale de l'ensoleillement et un sol et un espace limités, qui pourrait également être une architecture universelle prometteuse dans les macro- et micro-mondes.
La combinaison de nanomatériaux de faible dimension avec des propriétés physiques et chimiques distinctes dans des nanostructures hiérarchiques tridimensionnelles (3D) est un sujet de recherche brûlant en raison des avantages de chaque composant et suggère la formation de matériaux avancés avec des propriétés inattendues pour des applications uniques. Une nanostructure en forme de vigne devrait avoir une efficacité élevée pour l'adsorption et la réaction des ions de l'électrolyte ainsi que le transfert d'électrons. Cela pourrait conduire à des matériaux d'électrodes hautes performances pour les dispositifs de stockage d'énergie.
De nouveaux travaux du professeur Qiang Zhang et du groupe de recherche de Fei Wei au Département de génie chimique de l'Université de Tsinghua (Chine) portent sur l'auto-assemblage in situ d'une nanostructure ressemblant à un arbre de vigne en utilisant des nanotubes de carbone (CNT) comme éléments constitutifs par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Ce travail fournit également une stratégie biomimétique générale vers la conception de nanomatériaux hiérarchiques avec des voies électroniques extraordinaires ainsi qu'une surface/interface accordable qui peuvent être utilisées dans les domaines de la catalyse, séparation, et la conversion et le stockage de l'énergie.
En utilisant des nanoparticules de catalyseur (NP) avec une distribution de taille bimodale lors de la synthèse CVD, les scientifiques ont obtenu des NTC ressemblant à des vignes (VT-CNT) qui sont composés de NTC à paroi unique ressemblant à des vignes (SWCNT) s'enroulant autour des NTC à parois multiples ressemblant à des arbres (MWCNT). Les VT-CNT, décrit dans le journal de Matériaux avancés dans le tome 26, Numéro 41, pages 7051-7058, Publié le 5 novembre 2014 ("Hierarchical Vine-Tree-Like Carbon Nanotube Architectures:In-Situ CVD Self-Assembly and Their Use as Robust Scaffolds for Lithium-Sulfur Batteries") pourrait servir d'excellents échafaudages cathodiques pour les batteries lithium-soufre hautes performances.
« La raison pour laquelle nous choisissons les CNT comme système modèle est due au fait que les CNT sont l'un des éléments constitutifs de faible dimension les plus typiques des 25 dernières années. » Qiang Zhang, professeur agrégé à l'Université Tsinghua, dit à Phys.Org, «La formation de catalyseurs bimodaux NP est le facteur le plus important. En effet, la taille des NP du catalyseur joue un rôle clé dans le nombre de parois et le diamètre des NTC. On s'attend à ce que les catalyseurs NP de plus petite taille catalysent la croissance de la «vigne» SWCNT tandis que les plus grandes facilitent la croissance de «l'arbre» MWCNT simultanément.' Par conséquent, Les VT-CNT composés de « vigne » de SWCNT enroulant autour de « l'arbre » de MWCNT peuvent être auto-assemblés lors de la CVD in situ des hydrocarbures.
"L'auto-assemblage de la structure en forme de vigne peut être attribué à leur tendance à minimiser l'énergie d'adhérence interfaciale entre les SWCNT et les MWCNT." le premier auteur Meng-Qiang Zhao a expliqué à Phys.Org, "Typiquement, les SWCNT formés sur de minuscules NP catalytiques croissent toujours beaucoup plus rapidement que les MWCNT cultivés sur de grandes NP métalliques. Cependant, la structure VT-CNT ici peut conduire à la correspondance du taux de croissance de SWCNT 'vigne' et MWCNT 'arbre'." Les VT-CNT obtenus montrent une surface spécifique élevée d'environ 650 m 2 g -1 et un volume poreux total d'environ 1,6 cm 3 g -1 .
Les NTC sont considérés comme l'un des matériaux cathodiques les plus prometteurs pour les batteries Li-S en raison de leur remarquable conductivité électrique et de leurs excellentes propriétés mécaniques. Cependant, la faible surface spécifique ( <200 m 2 g -1 ) des MWCNT limite leur capacité à accommoder le soufre à une charge élevée et une mauvaise stabilité au cyclage pour les cathodes MWCNT/S. Pendant ce temps, les SWCNT sont généralement enchevêtrés les uns avec les autres, ce qui dégrade leur capacité à construire des réseaux conducteurs performants. « Les VT-CNT devraient être des candidats prometteurs pour les matériaux cathodiques Li-S haute performance. » a expliqué Qiang Zhang, « Par rapport aux MWCNT, les SWCNT ressemblant à de la vigne offraient une grande quantité de structure poreuse et une surface spécifique plus élevée pour l'absorption physique uniforme et le confinement du soufre plutôt qu'un simple revêtement physique de soufre sur les surfaces des MWCNT. Les MWCNT arborescents dans les VT-CNT ont rendu des voies d'électrons robustes pour assurer une bonne performance de débit.'
Une grande capacité de 1418 mAh g -1 par soufre peut être atteint sur les cathodes VT-CNT/S. Une capacité de 530 mAh g -1 peut encore être conservé même après 450 cycles à une densité de courant de 1,0 C, avec sa capacité initiale de 832 mAh g -1 . Un taux d'évanouissement cyclique d'env. 0,08 %/cycle a été atteint. Une capacité de 997 et 630 mAh g -1 peut encore être conservé à une densité de courant élevée de 3,0 et 4,0 C, respectivement.
À l'avenir, les chercheurs espèrent contrôler avec précision la structure fine des VT-CNT et réaliser leur production à grande échelle, ainsi que d'explorer plus avant leurs applications dans les domaines de la catalyse, protection environnementale, nanocomposites, et appareils électroniques. «Le concept de nanostructures en forme de vigne ne se limite pas aux NTC.» a déclaré le professeur Zhang, « La fabrication de nanostructures de type vigne à l'aide d'autres blocs de construction unidimensionnels est prévue, vers des matériaux avancés aux propriétés et performances exceptionnelles."
