Par in situ dopage à l'azote et hybridation structurale de nanotubes de carbone (CNT) et de graphène via un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en deux étapes, les scientifiques ont fabriqué des sandwichs nanotubes de carbone/graphène alignés dopés à l'azote (N-ACNT/G) avec des voies de transfert d'électrons tridimensionnelles (3D), canaux de diffusion ionique interconnectés, et une affinité et une activité interfaciales améliorées. Les sandwichs N-ACNT/G bruts de fabrication, décrit dans le journal Matériaux avancés le 17 septembre 2014, a démontré des performances à haut débit dans les batteries lithium-soufre (Li-S).

NTC et graphène, le sp le plus mis en évidence ² -des nanomatériaux de carbone liés au cours des dernières décennies, ont attiré énormément d'attention dans le domaine du stockage d'énergie, catalyse hétérogène, soins de santé, protection environnementale, ainsi que des nanocomposites, qui dépendent fortement non seulement de leurs propriétés physiques intrinsèques supérieures, comme la résistance mécanique, conductivité électrique et thermique, mais aussi sur leurs caractères chimiques accordables, tels que les groupes fonctionnels, se doper, et la modification des surfaces. Cependant, le nanocarbone contenant des hétéroatomes a tendance à s'agréger en raison de fortes interactions de van der Waals et d'une explosion de grande surface, limitant ainsi constamment la démonstration de leurs propriétés physiques intrinsèques et de leurs performances dans les matériaux bruts et les dispositifs pratiques.

La combinaison de NTC et de graphène dans des composites hybrides 3D peut généralement atténuer l'auto-agrégation et le réempilement des matériaux nanocarbonés et également amplifier les propriétés physiques à macroéchelle. Jusqu'à maintenant, plusieurs stratégies ont été explorées pour fabriquer de tels hybrides NTC/graphène, y compris les méthodes post-organisation et la croissance in situ, tandis que l'intégration de NTC de haute qualité et de graphène sans couches barrières est encore difficile.

Une équipe de l'Université Tsinghua (Chine), dirigés par le professeur Qiang Zhang et Fei Wei ont maintenant réussi à fabriquer des hybrides N-ACNT/G de type sandwich via une croissance catalytique en deux étapes sur des matériaux naturels bifonctionnels. Les NTC alignés ont d'abord été intercalés dans les espaces intercalaires du catalyseur en couches incrusté de nanoparticules métalliques (NP) via un CVD à basse température (L-T), et le graphène a été déposé séquentiellement sur la surface des flocons lamellaires au bas des NTC alignés par un CVD à haute température (H-T). NH3 a été introduit simultanément pendant la croissance CVD pour l'incorporation d'atomes d'azote dans la charpente carbonée. Après élimination du catalyseur, des CNT alignés alternatifs et du graphène étaient connectés verticalement les uns aux autres selon une périodicité à longue distance, formant ainsi une structure de type sandwich.

"Le problème clé pour la fabrication de la nouvelle architecture N-ACNT/G est que les CNT alignés de haute qualité et le graphène ont été cultivés sur les NP et les flocons lamellaires à L- et H-T CVD, respectivement et conjointement." Le premier auteur Cheng Tang a expliqué à Phys.Org, ''Ainsi, la connexion transparente de NTC alignés de haute qualité et de graphène a fourni des voies de transfert d'électrons 3D et des canaux de diffusion d'ions interconnectés. Aussi, le dopage à l'azote induit une modulation chimique modérée de la charpente carbonée, ce qui a amélioré l'affinité interfaciale et l'activité électrochimique."

L'un des candidats les plus prometteurs pour les sources d'énergie de nouvelle génération, La batterie Li-S a une densité énergétique théorique très élevée de 2600 Wh kg ^-1 , abondance naturelle de l'élément soufre, et respectueux de l'environnement aussi. "Nous essayons d'améliorer les performances cycliques et de taux des batteries Li-S pour une application pratique avec les hybrides N-ACNT/G comme matériaux de cathode." a déclaré le professeur Wei. Une capacité initiale réversible élevée de 1152 mAh g ^-1 peut être disponible à 1,0 C, maintenir env. 880 mAh g ^-1 après 80 cycles, qui était d'environ 65 % supérieur à celui des CNT alignés seuls. Même à une densité de courant élevée de 5,0 C, une capacité réversible d'env. 770 mAh g ^-1 peut être atteint.

"La capacité de cyclage et la capacité de vitesse remarquables peuvent être attribuées aux nouvelles caractéristiques structurelles et chimiques des sandwichs N-ACNT/G", Le professeur Zhang a expliqué, "La jonction transparente des CNT alignés cultivés par CVD et du graphène fournit un transfert d'électrons rapide et une robustesse mécanique. L'espace mésoporeux interconnecté en 3D améliore la pénétration et la diffusion des électrolytes. De plus, les interfaces modifiées par l'azote donnent lieu à une affinité interfaciale améliorée pour un confinement et une utilisation efficaces du soufre et des polysulfures."

« Il est fortement attendu que les sandwichs N-ACNT/G contiennent diverses applications potentielles dans le domaine des nanocomposites, stockage d'Energie, protection environnementale, appareil électronique, ainsi que les soins de santé, en raison de leur structure hiérarchique robuste, Voies de transfert d'électrons 3D et canaux de diffusion ionique, et une affinité et une activité interfaciales améliorées. » Le professeur Zhang a déclaré :« Parce que cette stratégie de conception et de fabrication est généralement applicable, nous prévoyons une nouvelle branche de la chimie des matériaux évoluant dans le domaine des nanostructures hiérarchiques avancées à travers les nanosystèmes topologiques 3D et la modification interfaciale."