به گزارش شبکه خبری ICTPRESS، بسیاری از زیست‌مواد همچون استخوان‌ها و پوسته‌های خارجی سخت پوستان دارای یک ساختار سلسله مراتبی است که برای آنها خصوصیات مکانیکی منحصر به فردی به ارمغان آورده است، اگر چه واحدهای سازنده این ساختارها، خصوصیات مکانیکی بسیار ضعیفی دارند.
محققان حوزه نانوفناوری، توجه بسیار زیادی به این ساختارهای مرتبه‌ای دارند. در چند سال گذشته، این محققان از چندین زیست‌ماده و زیست‌ساختار به منظور ساخت نانوکامپوزیت‌های هیبریدی با ساختار‌های مرتبه‌ای استفاده کردند. برای مثال، غشای پوسته تخم‌مرغ، درخت و دیگر ارگانیسم‌های گیاهی با ساختارهای سلسله مراتبی، به عنوان قالب برای سنتز نانومواد کاربردی متخلخل استفاده شدند. این ساختارهای متخلخل سلسله مراتبی دارای خصوصیات فوتوکاتالیزری و همچنین کاربردهای اندازه‌گیری گاز هستند.
ژانگ، استادیار دانشکده مهندسی شیمی در دانشگاه تسینگ‌هوا گفت: "مواد کربن/گرافن متخلخل مرتبه‌ای (HPC/HPG) در چند دهه گذشته بسیار مورد مطالعه و بررسی قرار گرفتند. این مواد نویدبخش کاربرد در مواد الکترودی برای سیستم‌های مختلف همچون باتری‌های یون-لیتیومی، باتری‌های لیتیوم-سولفور، ابرخازن‌ها و پیل‌های سوختی هستند که دارای ظرفیت قابل ملاحظه، کارامدی بالا و پایداری طولانی مدت هستند."
معمولا پژوهشگران از راهبردهای تولیدی با فرآیندهای چند مرحله‌ای یا الگوهای چند مقیاسی برای تولید ساختارهای سلسله مراتبی استفاده میکنند. لایه‌نشانی شیمیایی از فاز بخار (CVD) روی یک فویل مسی، موثرترین روش برای ساخت فیلم‌های گرافنی با کیفیت بسیار بالاست، در حالیکه اخیراً مشخص شده است که برخی مواد فلز/اکسید فلز متخلخل به عنوان قالب کاتالیستی برای ساخت مواد گرافنی با ساختار سلسله مراتبی در طی یک مرحله سنتز، استفاده میشوند. محققان با استفاده از ذرات اکسید کلسیم متخلخل اقدام به تولید گرافن کردند. آنها از اکسید کلسیم به عنوان قالب کاتالیستی موثر برای رشد سریع گرافن با روش CVD استفاده کردند.
نتایج این تحقیق در قالب مقاله‌ای با عنوان CaO-Templated Growth of Hierarchical Porous Graphene for High-Power Lithium–Sulfur Battery Applications در مجله Advanced Functional Materials چاپ شده است.
این برای اولین بار است که CaO، برای رشد CVD گرافن استفاده شده است.
تانگ دانشجوی دکتری گروه تحقیقاتی اظهار داشت: "ما متوجه شدیم که نانوذرات CaO میتوانند به دلیل نقص‌های بسیار سطحی و لبه‌های ناهموار به عنوان کاتالیست‌های موثر برای تحریک رشد گرافن بسیار نازک با رفتار خودمحدودکنندگی عمل کنند. این نتیجه بسیار مهمی است، زیرا CaO یک ماده بسیار ارزان‌قیمت و متداول است که فرایند ساخت آن نیز بسیار ساده است. علاوه‌براین ساختارهای سلسله مراتبی متنوعی را به راحتی میتوان با CaO ساخت که آن را به یک روش تطبیق‌پذیر برای ساخت مواد گرافنی متخلخل مرتبه‌ای با ساختار قابل تنظیم مبدل کرده است."
اتمسفر گازی در طول CVD و همچنین نانوساختار استفاده شده به عنوان کاتالیست، نقش بسیار مهمی در مقدار گرافیتی شدن و درجه تخلخل ساختار سلسه مراتبی محصول دارد. این گروه تحقیقاتی نشان دادند که مواد سنتز شده دارای نقص‌های (جاخالی‌های) میکرو مقیاس بسیار در سطح، حفره‌های چین‌خورده مزومقیاس و حفره‌های ماکرومقیاس هستند.
ژانگ افزود: "ما دریافتیم این مواد گرافن متخلخل سلسله مراتبی که ما ساختیم میتوانند به عنوان قالب برای کاتدهای باتری لیتیوم-سولفوری با کارامدی کولمبیک بالا و پایداری بسیار عالی عمل کنند."