层状胶束螺旋自组装成具有独特手性结构的多壳空心纳米球

开发具有明确孔隙率和复杂多壳纳米结构的功能性碳纳米球具有挑战性。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中梁鹏和化学和材料合成研究团队报道了一种层状胶束螺旋自组装策略，以形成具有独特手性的多壳介孔碳纳米球。在这种方法中，该团队引入了剪切流来驱动螺旋自组装。由此产生的多壳碳纳米球的自支撑螺旋结构，结合它们的高表面积和丰富的氮含量以及丰富的介孔，为钾储存提供了优异的电化学性能。胶束导向的自组装提供了一种简单而强大的策略，可以激发未来功能材料的纳米结构设计。

开发胶束系统

该团队开发了具有独特手性结构的多壳碳纳米球(MCN)，其中包括创建由剪切流驱动的层状Pluronic三甲基苯(TMB)/多巴胺(DA)胶束系统，以控制前体的聚合和智能自-组装成多壳纳米球。层状胶束呈螺旋状连续生长，形成稳定的完整球体。当用作负极材料时，螺旋MCN具有卓越的倍率性能和长循环稳定性用于钾离子电池。这种策略可以打开一个多功能平台来构建各种应用的纳米结构。彭等人。使用层状胶束螺旋自组装策略制备MCN，使用Pluronic平台作为软模板，TMB作为疏水相互作用介导剂，多巴胺作为乙醇/水混合物中的氮和碳源。起初，彭等人。通过反应演化以300rpm的速度搅拌，在系统中组成层状胶束。然后他们将复合胶束动态组装成介观结构的聚多巴胺(PDA)纳米球通过剪切流。冷冻干燥的聚多巴胺纳米球在氮气氛中的碳化导致形成具有有趣手性结构的螺旋MCN。

材料表征和开发

该场致发射扫描电子显微镜(FESEM)图像显示了介观结构的聚多巴胺纳米球是非常一致的具有180nm的平均粒径。该团队使用透射电子显微镜(TEM)对聚多巴胺纳米球进行了成像，以保持多壳手性中空结构，在高温煅烧后他们保留而不会塌陷和变形.使用放大的TEM图像，该团队清楚地显示了多壳结构的生长，并确认了3D多壳纳米结构，以显示具有许多结构缺陷的碳骨架的典型非晶相。Peng等人使用元素图。然后显示了每个碳壳中碳、氮和氧原子的均匀分布。结果表明材料具有层状介孔结构，而小角X射线散射图案显示出多壳纳米结构。然后，他们还研究了溶剂对螺旋MCN(多壳碳纳米球)形成的影响——虽然乙醇的存在有助于形成结构，但过量的乙醇会使它们变得不稳定。此外，通过增加成分的质量比，科学家们改变了产品的结构，从光滑的固体纳米球到三壳结构。

MCN(多壳碳纳米球)的形态和结构

前驱体的用量和搅拌速率也影响反应体系中MCNs的形貌和细观结构。通过增加多巴胺的量，Peng等人。将所得产品的结构从薄纳米盘调整为单空心和多壳纳米球的混合物。通过增加多巴胺，他们进一步开发了具有完全发展的手性结构的纯五重壳纳米球。结果还强调了搅拌是多壳纳米结构自组装的驱动力。该团队通过影响开发过程中使用的共聚物模板的疏水和亲水比来调节产品的形态和细观结构。

结构和钾离子电池的电化学性能

为了评估电化学性能，Peng等人。首次使用循环伏安法(CV)在0.01到3.0V的电压范围内。通过TEM(透射电子显微镜)图像和氮吸收等温线分析，该团队展示了多壳介孔结构如何在长期保持良好循环。在更高的电流密度下，螺旋多壳结构的优势变得更加突出。MCN呈现出有吸引力的倍率能力和令人印象深刻的循环性能。为了进一步了解MCN电极的电化学行为，Peng等人。基于循环伏安法进行动力学和定量分析以不同的扫描速率进行测试。结果表明电容贡献率随着扫描速率的增加而逐渐增加，证明了多壳螺旋结构的优势。

通过这种方式，梁鹏及其同事利用嵌段共聚物自组装直接创建了多壳碳结构，并通过引入适当的介导剂来合理调节胶束结构以平衡结果。他们基于层状胶束螺旋自组装方法开发了具有明确孔隙率和独特结构的均匀多壳碳纳米球。该方法的特点是引入剪切流以驱动层状胶束不断自组装成稳定的多壳纳米球。胶束结构可以通过调节表面活性剂的比例来系统地调整，以产生花状和多壳纳米球。由此产生的MCN为钾离子电池提供了出色的倍率性能、前所未有的手性结构和长期循环稳定性。

标签：