Коллектив исследователей из Сингапура и Китая смог получить «древовидные» структуры с контролируемым размером и количеством «веток» (наностержней α-Fe₂O₃), эпитаксиально растущих их ствола (нанонить SnO₂).

Наноструктурированные «древовидные» материалы весьма перспективны для использования в качестве электродов солнечных и литий-ионных батарей благодаря большой удельной площади поверхности. Однако размер и форма образующихся структур пока что плохо поддаются контролю исследователей.

Рис. 1. а) СЭМ микрофотография полученной иерархической структуры b,c) Увеличенные СЭМ и ПЭМ микрофотографии той же структуры d-g) ПЭМ микрофотография и соответствующие ей элементное картирование.

Определенных успехов в получении «древовидных» структур с контролируемым размером и количеством «веток» (наностержней α-Fe₂O₃), эпитаксиально растущих их ствола (нанонить SnO₂), удалось добиться коллективу исследователей из Сингапура и Китая. Предложенный ими метод синтеза сравнительно незамысловат: массив нанонитей оксида олова, выращенный методом химического осаждения, помещался в кислый раствор хлорида железа (III), и в результате гидротермального синтеза на поверхности нанонити SnO₂ образовывались зародыши метагидроксида железа, ориентированные в строго определенных кристаллографических направлениях. После достижения необходимых размеров, выросшие из ориентированных зародышей ориентированные нанотрубки отжигались с переходом метагидроксида железа в его оксид.

Рис. 2. а,b) ПЭМ микрофотографии полученной структуры с,d) схема, объясняющая кристаллографическое соответствие между SnO₂ и Fe₂О₃.

Примечательно, что полученные структуры имеют ось шестого порядка. Дело в том, что при такой взаимной ориентации нанонити и нанотрубок удается добиться наилучшего кристаллографического согласования – рассогласование при росте под углом 600 составляет всего 4,6% против 47,7% при перпендикулярном росте плоскости FeOOH (3–30) на плоскости (010) оксида олова. Особо примечательно, что до сих пор исследователям удавалось получать «древовидные» структуры с осью 6 порядка только для гексагональных нанонитей, т.е. нанотрубки росли нормально по отношению к каждой из граней.

Однако полученные иерархические структуры отличает не только структурное, но и функциональное своеобразие.

Известно, что в литий-ионных батареях с электродом из SnO₂ наблюдается резкое падение емкости после первого цикла зарядки/разрядки. При использовании же полученного материала емкость батареи двукратно превосходит аналогичную как для SnO₂, так и для Fe₂O₃, что авторы статьи связывают с возросшей площадью удельной поверхностью оксида железа. Тем не менее, острой проблемой, стоящей перед исследователями, остается стремительная потеря емкости – спустя 30 циклов зарядки/разрядки емкость батареи с электродом из полученного материала сравнивалась с таковой для батарей с электродом из Fe₂O₃ и SnO₂.

Рис. 3. а) Кривая первого цикла зарядки/разрядки при удельной силе тока 1000 мА/г b) зависимость удельной емкости от количества циклов зарядки/разрядки с) схематическое изображение массива наностержней оксида железа и обсуждаемой иерархической структуры.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Weiwei Zhou, Chuanwei Cheng, Jinping Liu, Yee Yan Tay, Jian Jiang, Xingtao Jia, Jixuan Zhang, Hao Gong, Huey Hoon Hng, Ting Yu, Hong Jin Fan, Lithium-Ion Batteries: Epitaxial Growth of Branched α-Fe2O3/SnO2 Nano-Heterostructures with Improved Lithium-Ion Battery Performance (Adv. Funct. Mater. 13/2011). – Advanced Functional Materials. – Volume 21. – Issue 13. – page 2385, July 8, 2011; DOI: 10.1002/adfm.201190048.