Les nanoparticules de carbone creuses sont fortes, bien conduire l'électricité et avoir une surface remarquablement grande. Ils sont prometteurs dans des applications telles que la filtration de l'eau, stockage d'hydrogène et électrodes de batterie - mais l'utilisation commerciale exigerait des électrodes fiables, moyens peu coûteux pour leur production.

Xu Li de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR de Singapour et ses collègues ont développé une technique de fabrication simple qui offre un contrôle précis de la taille et de la forme des nanosphères de carbone creuses.

Un procédé actuel de préparation de ces particules consiste à revêtir un gabarit dur, comme les nanoparticules de silice, avec un matériau à base de carbone qui peut être fondu dans une coque en utilisant une chaleur extrême. C'est un processus laborieux, et la gravure du gabarit nécessite des produits chimiques agressifs. Le chauffage de nanosphères de polystyrène creuses permet d'obtenir des résultats similaires, mais offre un mauvais contrôle de la taille et de la forme des nanoparticules de carbone résultantes.

Li et ses collègues ont combiné un copolymère séquencé appelé F127, constitué de poly(oxyde d'éthylène) et de poly(oxyde de propylène), avec des molécules de ?-cyclodextrine en forme de beignet dans l'eau. Après avoir chauffé le mélange à 200 °C, les molécules se sont auto-assemblées en nanoparticules creuses avec un rendement de 97,5%.

Les parties hydrofuges en poly(oxyde de propylène) du polymère collées ensemble pour former des sphères creuses, laissant des molécules de poly(oxyde d'éthylène) pendre de l'extérieur. Les anneaux de ?-cyclodextrine alors enfilés sur ces brins, emballage autour de l'extérieur de la sphère pour former une coque stable. L'utilisation d'une proportion plus élevée de F127 dans le mélange a produit de plus grandes nanosphères, allant de 200 à 400 nanomètres de diamètre. Le chauffage de ces particules à 900 °C dans des gaz inertes a brûlé le polymère pour fabriquer des nanoparticules de carbone creuses.

Les plus petites nanosphères mesuraient 122 nanomètres de diamètre et avaient des parois de 14 nanomètres d'épaisseur parsemées de minuscules pores d'environ 1 nanomètre de large. Chaque gramme de ce matériau avait une superficie de 317,5 mètres carrés, qui est plus grand qu'un court de tennis.

Les chercheurs ont utilisé une suspension de particules pour recouvrir une feuille de cuivre et l'ont testée comme anode dans une batterie lithium-ion. Ils ont découvert que les particules avaient une capacité de charge réversible de 462 milliampères-heures par gramme, supérieure à celle du graphite, un matériau d'anode typique et pourrait être rechargé au moins 75 fois sans perte significative de performance. Les pores permettent apparemment aux ions lithium de migrer vers les surfaces intérieures des sphères. "La modification de la porosité pourrait améliorer le processus de transport pour des performances supérieures, " suggère Li. L'équipe prévoit maintenant d'incorporer des matériaux en métal et en oxyde métallique dans les nanosphères de carbone creuses pour améliorer davantage leurs propriétés.