Spiraalvormige zelfassemblage van lamellaire micellen in holle nanosferen met meerdere schalen met unieke chirale architectuur

Het is een uitdaging om functionele koolstofnanosferen te ontwikkelen met goed gedefinieerde porositeit en complexe nanostructuren met meerdere schalen. In een nieuw rapport dat nu gepubliceerd is in wetenschappelijke vooruitgang, Liang Peng en een onderzoeksteam in chemie en materiaalsynthese, in China, rapporteerden een lamellaire micel-spiraal zelfassemblagestrategie om mesoporeuze koolstofnanosferen met meerdere schalen te vormen met unieke chiraliteit. Bij deze methode introduceerde het team afschuifstroming om de zelfassemblage van de spiraal aan te drijven. De resulterende zelfdragende spiraalarchitectuur van de koolstofnanosferen met meerdere schalen in combinatie met hun hoge oppervlakte en overvloedige stikstofgehalte met overvloedige mesoporiën leverde uitstekende elektrochemische prestaties op voor kaliumopslag. De micel-gerichte zelfassemblage bood een eenvoudige en krachtige strategie om in de toekomst het nanostructuurontwerp van functionele materialen te inspireren.

Het micelsysteem ontwikkelen

Het team ontwikkelde multi-shelled carbon nanospheres (MCN’s) met een unieke chirale architectuur, waarbij een lamellaire Pluronisch trimethylbenzeen (TMB) / dopamine (DA) micelsysteem aangedreven door de afschuifstroom om de polymerisatie van voorlopers te regelen en op intelligente wijze zelf te assembleren tot nanosferen met meerdere schalen. De lamellaire micellen groeiden spiraalsgewijs en continu tot een stabiele volle bol. De spiraalvormige MCN’s leverden superieure snelheidscapaciteit en lange cyclusstabiliteit bij gebruik als een anodemateriaal voor kaliumionbatterijen. Deze strategie kan een multifunctioneel platform openen om een ​​verscheidenheid aan nanostructuren voor toepassingen te bouwen. Peng et al. bereidde de MCN’s voor met behulp van een lamellaire micel-spiraal zelfassemblagestrategie met behulp van het Pluronic-platform als een zachte sjabloon, TMB als het hydrofobe interactiebemiddelingsmiddel en dopamine als de stikstof- en koolstofbron in het ethanol/watermengsel. In eerste instantie, Peng et al. samengesteld de lamellaire micellen in het systeem door te roeren bij 300 rpm van reactie-evolutie. Vervolgens assembleerden ze de samengestelde micellen dynamisch tot de mesogestructureerde polydopamine (PDA) nanosferen via afschuifstroom. De carbonisatie van de gevriesdroogde polydopamine-nanosferen in een stikstofatmosfeer leidde tot de vorming van spiraalvormige MCN’s met een interessante chirale architectuur.

Karakterisering en ontwikkeling van materialen

De veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM) beelden toonden aan dat de mesogestructureerde polydopamine nanosferen zeer uniform waren met een gemiddelde deeltjesgrootte van 180 nm. Gebruik makend van transmissie elektronenmicroscopie (TEM), beeldde het team de polydopamine-nanosferen af ​​om een ​​chirale holle structuur met meerdere schalen te behouden, die ze behielden zonder instorting en vervorming na calcineren bij hoge temperatuur;. Met behulp van vergrote TEM-afbeeldingen toonde het team duidelijk de groei van de multi-shelled architectuur en bevestigde de 3D multi-shelled nanostructuur om de typische amorfe fase van koolstofraamwerk met veel structurele defecten te tonen. Met behulp van elementaire kaarten, Peng et al. toonde vervolgens de uniforme verdeling van koolstof-, stikstof- en zuurstofatomen in elke koolstofschil. De resultaten wezen op een lamellaire mesoporeuze structuur van de materialen, terwijl kleine hoek röntgenverstrooiing patronen toonden een multi-shelled nanostructuur. Vervolgens bestudeerden ze ook het effect van oplosmiddel op de vorming van de spiraalvormige MCN’s (multi-shelled carbon nanospheres) – terwijl de aanwezigheid van ethanol hielp bij het vormen van de structuren, zorgde een teveel aan ethanol ervoor dat ze labiel werden. Door de massaverhouding van de bestanddelen te vergroten, varieerden de wetenschappers bovendien de structuur van producten van gladde vaste nanosferen tot constructies met drie schalen.

Morfologie en structuur van MCN’s (multi-shelled carbon nanospheres)

De hoeveelheid precursor en de roersnelheid beïnvloedden ook de morfologie en mesostructuur van MCN’s in het reactiesysteem. Door de hoeveelheid dopamine te verhogen, hebben Peng et al. stemde de structuur van de verkregen producten af ​​van dunne nanoschijven tot een mengsel van enkele holle en meerschillige nanobolletjes. Door de dopamine te verhogen, ontwikkelden ze verder zuivere vijfvoudige-schaal nanosferen met een volledig ontwikkelde chirale architectuur. De resultaten wezen ook op agitatie als een drijvende kracht voor de zelfassemblage van nanostructuren met meerdere schalen. Het team regelde de morfologie en mesostructuur van de producten door de hydrofoob en hydrofiel verhouding van de copolymeertemplates die tijdens hun ontwikkeling werden gebruikt.

Elektrochemische prestaties van de constructies en kaliumionbatterijen

Om de elektrochemische prestaties te evalueren, hebben Peng et al. voor het eerst gebruikt cyclische voltammetrie (CV) in het spanningsbereik van 0,01 tot 3,0 V. Met behulp van TEM-beelden (transmissie-elektronenmicroscopie) en stikstofabsorptie-isothermanalyses liet het team zien hoe de mesoporeuze structuur met meerdere schalen goed kon worden behouden na een langdurige cyclus. Bij hogere stroomdichtheden werden de voordelen van de spiraalvormige constructies met meerdere schalen prominenter. De MCN’s presenteerden een aantrekkelijk tarief en indrukwekkende fietsprestaties. Om meer inzicht te krijgen in het elektrochemische gedrag van de MCN-elektrode, hebben Peng et al. voerde kinetiek en kwantitatieve analyse uit op basis van cyclische voltammetrietests bij verschillende scansnelheden. De resultaten onthulden de geleidelijke toename van de capacitieve bijdrageverhouding met de toename van de scansnelheid om de voordelen van de spiraalvormige structuur met meerdere schalen aan te tonen.

Outlook

Op deze manier creëerden Liang Peng en collega’s rechtstreeks koolstofstructuren met meerdere schalen met behulp van zelfassemblage van blokcopolymeer en reguleerden ze de micelstructuur rationeel door geschikte bemiddelingsmiddelen te introduceren om de uitkomst in evenwicht te brengen. Ze ontwikkelden uniforme multi-shelled koolstofnanosferen met goed gedefinieerde porositeit en unieke architectuur op basis van een lamellaire micel-spiraal zelfassemblagebenadering. De benadering omvatte de introductie van afschuifstroming om de lamellaire micellen continu aan te drijven om zichzelf te assembleren tot stabiele multi-shelled nanosferen. De micellaire structuur kan systematisch worden afgestemd door de verhouding van oppervlakteactieve stoffen te reguleren om bloemachtige en multi-shelled nanosferen te creëren. De resulterende MCN’s leverden uitstekende snelheidscapaciteit, ongekende chirale architectuur en langdurige cyclische stabiliteit voor kaliumionbatterijen. Het werk vertegenwoordigt een multifunctioneel platform voor het synthetiseren van nieuwe nanostructuren voor geavanceerde toepassingen, naast fundamentele informatie over micel-gerichte zelfassemblage en chemie.