Arquiteturas hierárquicas de nanotubos de carbono semelhantes a videiras compostas por nanotubos de carbono de parede única semelhantes a videiras envolvendo os nanotubos de carbono de paredes múltiplas semelhantes a árvores são fabricadas por meio de automontagem de deposição química de vapor in-situ. As nanoarquiteturas semelhantes a videiras exibem excelente estabilidade de ciclo e desempenho de taxa quando empregadas como andaimes catódicos para baterias de lítio-enxofre.
A estrutura da videira é amplamente observada na natureza quando a planta tem o hábito de crescer em troncos ou trepadeiras. As vinhas usam árvores para o crescimento, em vez de dedicar energia ao desenvolvimento de tecido de suporte, permitindo que a videira alcance a luz solar com um mínimo de investimento de energia. As árvores também podem facilitar o transporte de substâncias nutritivas. Essas estruturas hierárquicas de videiras oferecem sinergia entre as vinhas e árvores, bem como a utilização máxima da luz do sol e solo e espaço limitados, que também poderia ser uma arquitetura universal promissora em macro e micro mundos.
A combinação de nanomateriais de baixa dimensão com propriedades físicas e químicas distintas em nanoestruturas hierárquicas tridimensionais (3D) é um tópico de pesquisa em alta devido às vantagens de cada componente e sugere a formação de materiais avançados com propriedades inesperadas para aplicações exclusivas. Espera-se que uma nanoestrutura semelhante a uma videira tenha alta eficiência para a adsorção e reação de íons do eletrólito, bem como a transferência de elétrons. Isso pode levar a materiais de eletrodo de alto desempenho para dispositivos de armazenamento de energia.
Novo trabalho do grupo de pesquisa do Prof. Qiang Zhang e Fei Wei no Departamento de Engenharia Química da Universidade de Tsinghua (China), relata a automontagem in-situ de nanoestruturas semelhantes a videiras usando nanotubos de carbono (CNTs) como blocos de construção por deposição química de vapor (CVD). Este trabalho também fornece uma estratégia biomimética geral para o projeto de nanomateriais hierárquicos com vias eletrônicas extraordinárias, bem como superfície / interface ajustável que pode ser usada em áreas de catálise, separação, e conversão e armazenamento de energia.
Ao usar nanopartículas de catalisador (NPs) com uma distribuição de tamanho bimodal durante a síntese CVD, os cientistas obtiveram CNTs semelhantes a videiras (VT-CNTs) que são compostos de CNTs semelhantes a videiras (SWCNTs) envolvendo os CNTs semelhantes a árvores com paredes múltiplas (MWCNTs). Os VT-CNTs, descrito no jornal de Materiais avançados no Volume 26, Edição 41, Página 7051-7058, Publicado em 5 de novembro, 2014 ('Hierarchical Vine-Tree-like Carbon Nanotube Architectures:In-Situ CVD Self-Assembly and Your Use as Robust Scaffolds for Lithium-Enphur Batteries') poderiam servir como excelentes andaimes de cátodo para baterias de lítio-enxofre de alto desempenho.
'A razão pela qual selecionamos os CNTs como o sistema modelo é devido ao fato de que os CNTs são um dos blocos de construção de baixa dimensão mais típicos dos últimos 25 anos.' Qiang Zhang, um professor associado na Universidade de Tsinghua, diz Phys.Org, 'A formação de NPs catalisadores bimodais é o fator mais importante. Isso ocorre porque o tamanho dos NPs do catalisador desempenha um papel fundamental no número da parede e no diâmetro dos CNTs. Espera-se que os NPs catalisadores com tamanho menor catalisem o crescimento da 'árvore' SWCNT, enquanto os maiores facilitam o crescimento da 'árvore' MWCNT simultaneamente. ' Consequentemente, VT-CNTs compostos de SWCNT 'cipó' envolvendo a 'árvore' MWCNT podem ser automontados durante a CVD in-situ de hidrocarbonetos.
"A automontagem da estrutura semelhante a uma videira pode ser atribuída à tendência de minimizar a energia de adesão interfacial entre SWCNTs e MWCNTs." o primeiro autor Meng-Qiang Zhao explicou a Phys.Org, "Tipicamente, os SWCNTs formados em pequenos NPs de catalisador sempre crescem muito mais rápido do que os MWCNTs crescem em grandes NPs de metal. Contudo, a estrutura VT-CNT aqui pode levar à correspondência da taxa de crescimento de SWCNT 'videira' e MWCNT 'árvore'. "Os VT-CNTs obtidos mostram uma alta área de superfície específica de ~ 650 m 2 g -1 e um volume total de poro de ~ 1,6 cm 3 g -1 .
Os CNTs são considerados um dos materiais catódicos mais promissores para baterias de Li-S devido à sua notável condutividade elétrica e excelentes propriedades mecânicas. Contudo, a baixa área de superfície específica ( <200 m 2 g -1 ) de MWCNTs limita sua capacidade de acomodar enxofre em grande quantidade de carga e baixa estabilidade de ciclo para os cátodos MWCNT / S. Enquanto isso, os SWCNTs geralmente estão emaranhados uns com os outros, o que degrada sua habilidade na construção de redes condutoras eficientes. 'Espera-se que os VT-CNTs sejam candidatos promissores para materiais de catodo Li-S de alto desempenho.' explicou Qiang Zhang, 'Comparado com MWCNTs, os SWCNTs semelhantes a videiras proporcionaram grande quantidade de estrutura porosa e maior área de superfície para a absorção física uniforme e confinamento de enxofre, em vez de um simples revestimento físico de enxofre nas superfícies MWCNT. Os MWCNTs semelhantes a árvores em VT-CNTs renderam vias eletrônicas robustas para garantir um bom desempenho de taxa. '
Uma alta capacidade de 1418 mAh g -1 por enxofre pode ser obtido nos cátodos VT-CNT / S. Uma capacidade de 530 mAh g -1 ainda pode ser retido mesmo após 450 ciclos a uma densidade de corrente de 1,0 C, com sua capacidade inicial de 832 mAh g -1 . Uma taxa de desvanecimento cíclico de ca. 0,08% / ciclo foi alcançado. Uma capacidade de 997 e 630 mAh g -1 ainda pode ser preservado em uma alta densidade de corrente de 3,0 e 4,0 C, respectivamente.
No futuro, os pesquisadores esperam controlar com precisão a estrutura fina dos VT-CNTs e alcançar sua produção em grande escala, bem como explorar ainda mais suas aplicações nas áreas de catálise, Proteção Ambiental, nanocompósitos, e dispositivos eletrônicos. 'O conceito de nanoestruturas semelhantes a videiras não se limita aos CNTs.' disse o Prof. Zhang, 'Está prevista a fabricação de nanoestruturas semelhantes a videiras usando outros blocos de construção unidimensionais, em direção a materiais avançados com excelentes propriedades e desempenhos. "
