Il est difficile de développer des nanosphères de carbone fonctionnelles avec une porosité bien définie et des nanostructures complexes à plusieurs coques. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Liang Peng et une équipe de recherche en chimie et synthèse de matériaux, en Chine, ont rapporté une stratégie d'auto-assemblage en spirale de micelles lamellaires pour former des nanosphères de carbone mésoporeuses à coques multiples avec une chiralité unique. Dans cette méthode, l'équipe a introduit un flux de cisaillement pour entraîner l'auto-assemblage en spirale. L'architecture en spirale autoportante résultante des nanosphères de carbone à plusieurs coques, associée à leur surface élevée et à leur teneur abondante en azote avec de nombreux mésopores, a donné d'excellentes performances électrochimiques pour le stockage du potassium. L'auto-assemblage dirigé par les micelles offrait une stratégie simple et puissante pour inspirer la conception de nanostructures de matériaux fonctionnels à l'avenir.

Développement du système micellaire

L'équipe a développé des nanosphères de carbone multicoques (MCN) avec une architecture chirale unique, qui impliquait la création d'un système micellaire lamellaire Pluronic triméthylbenzène (TMB)/dopamine (DA) entraîné par le flux de cisaillement pour contrôler la polymérisation des précurseurs et intelligemment l'auto -assembler en nanosphères multicoquilles. Les micelles lamellaires se sont développées en spirale et en continu pour former une sphère pleine stable. Les MCN en spirale offraient une capacité de débit supérieure et une stabilité de cycle longue lorsqu'ils étaient utilisés comme matériau d'anode pour les batteries aux ions potassium. Cette stratégie peut ouvrir une plate-forme multifonctionnelle pour construire une variété de nanostructures pour des applications. Peng et al. ont préparé les MCN en utilisant une stratégie d'auto-assemblage en spirale de micelles lamellaires en utilisant la plate-forme Pluronic comme modèle souple, le TMB comme agent de médiation de l'interaction hydrophobe et la dopamine comme source d'azote et de carbone dans le mélange éthanol/eau. Dans un premier temps, Peng et al. composé les micelles lamellaires dans le système en agitant à 300 tr/min à partir de la réaction-évolution. Ils ont ensuite assemblé dynamiquement les micelles composites dans les nanosphères de polydopamine mésostructurées (PDA) via un flux de cisaillement. La carbonisation des nanosphères de polydopamine lyophilisées sous atmosphère d'azote a conduit à la formation de MCN en spirale avec une architecture chirale intéressante.

Caractérisation et développement des matériaux

Les images de microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM) ont montré que les nanosphères de polydopamine mésostructurées étaient très uniformes avec une taille moyenne de particules de 180 nm. À l'aide de la microscopie électronique à transmission (MET), l'équipe a imagé les nanosphères de polydopamine pour maintenir une structure creuse chirale à plusieurs coques, qu'ils ont conservée sans effondrement ni déformation après calcination à haute température. À l'aide d'images TEM agrandies, l'équipe a clairement montré la croissance de l'architecture multicoque et confirmé la nanostructure multicoque 3D pour montrer la phase amorphe typique de la charpente de carbone avec de nombreux défauts structurels. En utilisant des cartes élémentaires, Peng et al. ont ensuite montré la distribution uniforme des atomes de carbone, d'azote et d'oxygène dans chaque enveloppe de carbone. Les résultats ont indiqué une structure mésoporeuse lamellaire des matériaux, tandis que les modèles de diffusion des rayons X aux petits angles ont montré une nanostructure à plusieurs coques. Ils ont ensuite également étudié l'effet du solvant sur la formation des MCN en spirale (nanosphères de carbone à plusieurs coques) - alors que la présence d'éthanol aidait à former les structures, l'excès d'éthanol les rendait labiles. De plus, en augmentant le rapport massique des constituants, les scientifiques ont fait varier la structure des produits, des nanosphères solides lisses aux constructions à triple coque.

Morphologie et structure des MCN (nanosphères de carbone multicoquilles)

La quantité de précurseur et la vitesse d'agitation ont également affecté la morphologie et la mésostructure des MCN dans le système de réaction. En augmentant la quantité de dopamine, Peng et al. a adapté la structure des produits obtenus à partir de nano-disques minces à un mélange de nanosphères simples creuses et multicoquilles. En augmentant la dopamine, ils ont développé des nanosphères pures à quintuple coquille avec une architecture chirale entièrement développée. Les résultats ont également mis en évidence l'agitation comme moteur de l'auto-assemblage de nanostructures multicoquilles. L'équipe a régulé la morphologie et la mésostructure des produits en affectant le rapport hydrophobe et hydrophile des modèles de copolymères utilisés lors de leur développement.

Performances électrochimiques des constructions et des batteries aux ions potassium

Pour évaluer les performances électrochimiques, Peng et al. a utilisé pour la première fois la voltamétrie cyclique (CV) dans le domaine de la tension de 0,01 à 3,0 V. À l'aide d'images TEM (microscopie électronique à transmission) et d'analyses d'isothermes d'absorption d'azote, l'équipe a montré comment la structure mésoporeuse à plusieurs coques pouvait être bien maintenue après un long terme cycle. À des densités de courant plus élevées, les avantages des constructions multi-coquilles en spirale sont devenus plus importants. Les MCN ont présenté une capacité de taux attrayante et des performances de cyclisme impressionnantes. Pour obtenir des informations supplémentaires sur le comportement électrochimique de l'électrode MCN, Peng et al. effectué des analyses cinétiques et quantitatives basées sur des tests de voltamétrie cyclique à différentes vitesses de balayage. Les résultats ont révélé l'augmentation progressive du rapport de contribution capacitive avec l'augmentation de la vitesse de balayage pour démontrer les avantages de la structure en spirale à plusieurs coques.

Perspectives

De cette façon, Liang Peng et ses collègues ont directement créé des structures de carbone à plusieurs coques en utilisant l'auto-assemblage de copolymères blocs et ont régulé rationnellement la structure micellaire en introduisant des agents de médiation appropriés pour équilibrer le résultat. Ils ont développé des nanosphères de carbone multicoquilles uniformes avec une porosité bien définie et une architecture unique basée sur une approche d'auto-assemblage en spirale de micelles lamellaires. L'approche comportait l'introduction d'un flux de cisaillement pour conduire les micelles lamellaires en continu à s'auto-assembler en nanosphères multicoquilles stables. La structure micellaire peut être systématiquement ajustée en régulant le rapport des tensioactifs pour créer des nanosphères ressemblant à des fleurs et à plusieurs coques. Les MCN résultants ont fourni une excellente capacité de débit, une architecture chirale sans précédent et une stabilité cyclique à long terme pour les batteries aux ions potassium. Le travail représente une plate-forme multifonctionnelle pour synthétiser de nouvelles nanostructures pour des applications avancées, ainsi que des informations fondamentales sur l'auto-assemblage et la chimie dirigés par les micelles. + Explorer plus loin

La structure mésoporeuse améliore les performances catalytiques des catalyseurs à un seul atome

© 2021 Réseau Science X