Коллективом польских и китайских ученых предложен оригинальный способ получения полых мезопористых углеродных наносфер. Полученные наносферы демонстрируют целый ряд особенностей и характеристик, которые делают их многообещающими в различных практических применениях.

Будущее нанотехнологий связано с возможностью конструировать новые наноматериалы с учетом необходимых структурных и функциональных особенностей. Причем среди таких материалов особенно стоит отметить полые наносферы в силу огромного интереса к ним как со стороны ученых, так и со стороны практического применения. Этот интерес, в первую очередь, основывается на таких уникальных свойствах наносфер как их огромная удельная поверхность, низкая плотность, а также большие размеры полостей.

Мезопористые полые углеродные наносферы выделяются на фоне остальных благодаря хорошим тепло- и электропроводностям, хорошей химической и механической устойчивостям.

Рис.1. Схема получения полых мезопористых углеродных наносфер.

Среди возможных способов получения подобных структур можно выделить два подхода:

• в одном случае твердый мезопористый темплат пропитывается прекурсором, который затем карбонизируется путем отжига в неокисляющих условиях,
• в другом используется метод CVD, при котором в поры мезопористого темплата осаждается углерод.

Рис. 2. ПЭМ темплатов типа ядро-оболочка из оксида кремния.

В предложенной статье авторы предложили использовать второй подход (рис.1) к получению полых мезопористых углеродных наносфер. В качестве темплата использовался оксид кремния. Сначала были получены монодисперсные наносферы оксида кремния путем гидролиза TEOS'а. Затем на основе полученных наносфер были получены структуры типа MCM-41, при помощи ПАВ – CTAB (рис.2). В приготовленные темплаты методом CVD напылялся углерод, и наконец сам темплат удалялся путем травления в плавиковой кислоте (рис.3).

Рис. 3. ПЭМ получаемых углеродных наносфер.

При помощи ряда методов была установлена степень графитизации и чистота полученных наносфер (рис.4). Кроме того методами BET и BJH (рис.5) были установлены удельная площадь поверхности (достигавшая 771 м²/г) и объем пустот в структуре (достигавший 0,599 см³/г). Так же были проанализированы электрохимические свойства полученных наносфер, которые позволили авторам сделать довольно позитивные оценки (рис. 6) о возможности применения полученных структур в литий-ионных батареях. Так, например, первичный цикл зарядки-разрядки в экспериментальной ячейке продемонстрировал неожиданно высокую емкость, которая оказалась в пять раз больше рассчитанной теоритически. Кроме того, материал продемонстрировал довольно стабильное поведение при циклировании зарядки-разрядки.

Рис.4. Спектр КР и ТГА получаемых наносфер.

Рис. 5. Изотерма адсорбции/десорбции азота на получаемых наносферах.

Таким образом, авторами предложен оригинальный подход к получению полых мезопористых углеродных наносфер, использующий темплаты оксида кремния типа ядро-оболочка и метод CVD (с применением этилена в качестве источника углерода) для нанесения углерода. Получаемые углеродные наносферы характеризуются высокой чистотой, высокой степенью графитизации, большой удельной поверхностью, а также хорошей мезоструктурной упорядоченностью.

Рис. 6. Электрохимические свойства получаемых углеродных наносфер.