É um desafio desenvolver nanoesferas de carbono funcionais com porosidade bem definida e nanoestruturas complexas de múltiplas camadas. Em um novo relatório agora publicado em Science Advances , Liang Peng e uma equipe de pesquisa em química e síntese de materiais, na China, relataram uma estratégia de automontagem em espiral micelar lamelar para formar nanoesferas de carbono mesoporosas com várias camadas com quiralidade única. Nesse método, a equipe introduziu o fluxo de cisalhamento para conduzir a automontagem da espiral. A arquitetura espiral de auto-suporte resultante das nanoesferas de carbono multicamadas em combinação com sua alta área de superfície e conteúdo abundante de nitrogênio com mesoporos abundantes rendeu excelente desempenho eletroquímico para armazenamento de potássio. A automontagem dirigida por micelas ofereceu uma estratégia simples e poderosa para inspirar o design de nanoestruturas de materiais funcionais no futuro.
Desenvolvendo o sistema micelar

A equipe desenvolveu nanoesferas de carbono multicamadas (MCNs) com arquitetura quiral única, que envolveu a criação de um sistema lamelar Pluronic trimetil benzeno (TMB) / dopamina (DA) micelar impulsionado pelo fluxo de cisalhamento para controlar a polimerização de precursores e autocontrole inteligente -montar em nanoesferas multi-shell. As micelas lamelares cresceram em espiral e continuamente para formar uma esfera completa estável. Os MCNs espirais forneceram capacidade de taxa superior e estabilidade de ciclo longo quando usados ​​como material anódico para baterias de íons de potássio. Esta estratégia pode abrir uma plataforma multifuncional para construir uma variedade de nanoestruturas para aplicações. Peng et ai. prepararam os MCNs usando uma estratégia de auto-montagem em espiral micelar lamelar usando a plataforma Pluronic como um modelo macio, TMB como agente de mediação de interação hidrofóbica e dopamina como fonte de nitrogênio e carbono na mistura etanol/água. A princípio, Peng et al. compôs as micelas lamelares no sistema por agitação a 300 rpm da reação-evolução. Eles então montaram dinamicamente as micelas compostas nas nanoesferas de polidopamina mesoestruturada (PDA) por meio de fluxo de cisalhamento. A carbonização das nanoesferas de polidopamina liofilizadas em atmosfera de nitrogênio levou à formação de MCNs espirais com arquitetura quiral interessante.

Caracterização e desenvolvimento de materiais

As imagens de microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FESEM) mostraram que as nanoesferas de polidopamina mesoestruturadas são muito uniformes com um tamanho médio de partícula de 180 nm. Usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM), a equipe fotografou as nanoesferas de polidopamina para manter uma estrutura oca quiral com várias camadas, que eles mantiveram sem colapso e deformação após a calcinação em alta temperatura. Usando imagens TEM ampliadas, a equipe mostrou claramente o crescimento da arquitetura multicamada e confirmou a nanoestrutura multicamada 3D para mostrar a fase amorfa típica da estrutura de carbono com muitos defeitos estruturais. Usando mapas elementares, Peng et al. em seguida, mostrou a distribuição uniforme de átomos de carbono, nitrogênio e oxigênio em cada camada de carbono. Os resultados indicaram uma estrutura mesoporosa lamelar dos materiais, enquanto os padrões de espalhamento de raios X de pequeno ângulo mostraram uma nanoestrutura multicamada. Eles também estudaram o efeito do solvente na formação das MCNs espirais (nanoesferas de carbono multicamadas) – enquanto a presença de etanol ajudava a formar as estruturas, o excesso de etanol as tornava lábeis. Além disso, ao aumentar a proporção de massa dos constituintes, os cientistas variaram a estrutura dos produtos de nanoesferas sólidas lisas a construções de casca tripla.

Morfologia e estrutura de MCNs (nanoesferas de carbono com várias camadas)

A quantidade de precursor e a velocidade de agitação também afetaram a morfologia e a mesoestrutura dos MCNs no sistema de reação. Ao aumentar a quantidade de dopamina, Peng et al. ajustou a estrutura dos produtos obtidos a partir de nano-discos finos para uma mistura de nanoesferas ocas e multicamadas. Ao aumentar a dopamina, eles desenvolveram nanoesferas quíntuplas puras com uma arquitetura quiral totalmente desenvolvida. Os resultados também destacaram a agitação como uma força motriz para a automontagem de nanoestruturas multicamadas. A equipe regulou a morfologia e a mesoestrutura dos produtos, afetando a proporção hidrofóbica e hidrofílica dos modelos de copolímeros usados ​​durante seu desenvolvimento.

Desempenho eletroquímico das construções e baterias de íons de potássio

Para avaliar o desempenho eletroquímico, Peng et al. usou pela primeira vez voltametria cíclica (CV) no escopo de tensão de 0,01 a 3,0 V. Usando imagens TEM (microscopia eletrônica de transmissão) e análises isotérmicas de absorção de nitrogênio, a equipe mostrou como a estrutura mesoporosa multicamada pode ser bem mantida após um longo prazo ciclo. Em densidades de corrente mais altas, as vantagens das construções espirais de múltiplas camadas tornaram-se mais proeminentes. Os MCNs apresentaram uma capacidade de taxa atraente e desempenho de ciclismo impressionante. Para obter mais informações sobre o comportamento eletroquímico do eletrodo MCN, Peng et al. conduziram análises cinéticas e quantitativas com base em testes de voltametria cíclica em diferentes taxas de varredura. Os resultados revelaram o aumento gradual da razão de contribuição capacitiva com o aumento da taxa de varredura para demonstrar as vantagens da estrutura espiral multicamada.

Perspectivas

Dessa forma, Liang Peng e seus colegas criaram diretamente estruturas de carbono multicamadas usando a automontagem de copolímero em bloco e regularam racionalmente a estrutura da micela, introduzindo agentes de mediação apropriados para equilibrar o resultado. Eles desenvolveram nanoesferas de carbono multicamadas uniformes com porosidade bem definida e arquitetura única com base em uma abordagem de automontagem em espiral micelar lamelar. A abordagem contou com a introdução de fluxo de cisalhamento para conduzir as micelas lamelares continuamente para se auto-montar em nanoesferas estáveis ​​​​com várias camadas. A estrutura micelar pode ser sistematicamente ajustada regulando a proporção de surfactantes para criar nanoesferas semelhantes a flores e multicamadas. Os MCNs resultantes forneceram excelente capacidade de taxa, arquitetura quiral sem precedentes e estabilidade cíclica de longo prazo para baterias de íons de potássio. O trabalho representa uma plataforma multifuncional para sintetizar novas nanoestruturas para aplicações avançadas, juntamente com informações fundamentais sobre automontagem e química direcionadas a micelas. + Explorar mais

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