Het geheim van het maken van de beste materialen voor energieopslag is ze te kweken met een zo groot mogelijk oppervlak. zoals bakken, het vereist precies de juiste mix van ingrediënten die in een bepaalde hoeveelheid zijn bereid en op precies de juiste temperatuur worden besteld om een ​​dun vel materiaal te produceren met de perfecte chemische consistentie om nuttig te zijn voor het opslaan van energie. Een team van onderzoekers van de Drexel University, Huazhong University of Science and Technology (HUST) en Tsinghua University hebben onlangs een manier ontdekt om het recept te verbeteren en de resulterende materialen groter en beter te maken en energie op te nemen - het geheim? Voeg gewoon zout toe.

De bevindingen van het team, die onlangs in het tijdschrift zijn gepubliceerd Natuurcommunicatie , laten zien dat het gebruik van zoutkristallen als sjabloon om dunne vellen geleidende metaaloxiden te laten groeien, de materialen groter en chemisch zuiverder maakt, waardoor ze beter geschikt zijn voor het verzamelen van ionen en het opslaan van energie.

"De uitdaging om een ​​metaaloxide te produceren dat theoretische prestatiewaarden bereikt, is dat de methoden om het te maken inherent de grootte ervan beperken en vaak de chemische zuiverheid ervan vervuilen, waardoor het niet voldoet aan de voorspelde energieopslagprestaties, " zei Jun Zhou, een professor aan het Wuhan National Laboratory for Optoelectronics van HUST en een auteur van het onderzoek. Ons onderzoek onthult een manier om stabiele oxideplaten te kweken met minder vervuiling die in de orde van honderden keren groter zijn dan de platen die momenteel worden vervaardigd."

In een energieopslagapparaat - een batterij of een condensator, energie zit bijvoorbeeld in de chemische overdracht van ionen van een elektrolytoplossing naar dunne lagen geleidende materialen. Naarmate deze apparaten evolueren, worden ze kleiner en kunnen ze een elektrische lading voor langere tijd vasthouden zonder dat ze opnieuw hoeven te worden opgeladen. De reden voor hun verbetering is dat onderzoekers materialen fabriceren die beter zijn toegerust, structureel en chemisch, voor het verzamelen en distribueren van ionen.

In theorie, de beste materialen voor de klus moeten dunne platen metaaloxiden zijn, omdat hun chemische structuur en grote oppervlakte het gemakkelijk maken voor ionen om zich te hechten - en dat is hoe energieopslag plaatsvindt. Maar de metaaloxideplaten die tot nu toe in laboratoria zijn vervaardigd, hebben hun theoretische capaciteiten ver achtergebleven.

Volgens Zhou, Tang en het team van HUST, het probleem ligt in het proces van het maken van de nanosheets - waarbij ofwel een gasafzetting of een chemische etsing betrokken is - laat vaak sporen van chemische residuen achter die het materiaal verontreinigen en voorkomen dat ionen zich eraan hechten. In aanvulling, de materialen die op deze manier worden gemaakt, zijn vaak slechts enkele vierkante micrometer groot.

Door zoutkristallen als substraat te gebruiken om de kristallen te laten groeien, kunnen ze zich verspreiden en een groter vel oxidemateriaal vormen. Zie het als het maken van een wafel door het beslag in een pan te laten druppelen of het in een groot wafelijzer te gieten; de sleutel tot het krijgen van een grote, stevig product krijgt de oplossing - of het nu gaat om beslag, of chemische verbinding - om gelijkmatig over de sjabloon te verspreiden en op een uniforme manier te stabiliseren.

"Deze methode van synthese, 'templating' genoemd - waarbij we een opofferingsmateriaal gebruiken als substraat voor het laten groeien van een kristal - wordt gebruikt om een ​​bepaalde vorm of structuur te creëren, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, University and Trustee Chair professor aan Drexel's College of Engineering en hoofd van de A.J. Drexel Nanomaterialen Instituut, wie was de auteur van de krant. "De truc in dit werk is dat de kristalstructuur van zout moet overeenkomen met de kristalstructuur van het oxide, anders zal het een amorfe film van oxide vormen in plaats van een ding, sterk en stabiel nanokristal. Dit is de belangrijkste bevinding van ons onderzoek:het betekent dat er verschillende zouten moeten worden gebruikt om verschillende oxiden te produceren."

Onderzoekers hebben verschillende chemicaliën gebruikt, verbindingen, polymeren en objecten als groeitemplates voor nanomaterialen. Maar deze ontdekking toont het belang aan van het afstemmen van een sjabloon op de structuur van het te kweken materiaal. Zoutkristallen blijken het perfecte substraat voor het kweken van oxideplaten van magnesium, molybdeen en wolfraam.

De voorloperoplossing bedekt de zijkanten van de zoutkristallen terwijl de oxiden zich beginnen te vormen. Nadat ze gestold zijn, het zout wordt opgelost in een wasbeurt, waardoor nanometerdunne tweedimensionale vellen achterblijven die zich aan de zijkanten van het zoutkristal vormden - en weinig sporen van verontreinigingen die hun energieopslagprestaties zouden kunnen belemmeren. Door op deze manier oxide nanosheets te maken, de enige factoren die hun groei beperken, zijn de grootte van het zoutkristal en de hoeveelheid gebruikte voorloperoplossing.

"De laterale groei van de 2D-oxiden werd geleid door zoutkristalgeometrie en bevorderd door roosteraanpassing en de dikte werd beperkt door de aanvoer van grondstoffen. De afmetingen van de zoutkristallen zijn tientallen micrometers en leiden de groei van het 2D-oxide naar een vergelijkbare maat, ' schrijven de onderzoekers in de krant. 'Op basis van de natuurlijk niet-gelaagde kristalstructuren van deze oxiden, de geschiktheid van door zout ondersteunde templating als een algemene methode voor de synthese van 2D-oxiden is overtuigend aangetoond."

Als voorspeld, het grotere formaat van de oxidevellen stond ook gelijk aan een groter vermogen om ionen uit een elektrolytoplossing te verzamelen en af ​​te geven - de ultieme test voor het potentieel ervan om te worden gebruikt in apparaten voor energieopslag. De resultaten die in het artikel worden vermeld, suggereren dat het gebruik van deze materialen kan helpen bij het creëren van een aluminium-ionbatterij die meer lading kan opslaan dan de beste lithium-ionbatterijen die tegenwoordig in laptops en mobiele apparaten worden gevonden.

Gogotsi, samen met zijn studenten van de afdeling Materials Science and Engineering, werkt sinds 2012 samen met de Huazhong University of Science and Technology om een ​​breed scala aan materialen voor energieopslagtoepassingen te onderzoeken. De hoofdauteur van de Natuurcommunicatie artikel, Xu Xiao, en co-auteur Tiangi Li, beide promovendi van Zhou, kwamen naar Drexel als uitwisselingsstudenten om meer te weten te komen over het onderzoek naar supercondensatoren van de universiteit. Die bezoeken begonnen een samenwerking, die werd ondersteund door de jaarlijkse reizen van Gogotsi naar HUST. Hoewel de samenwerking al vijf gezamenlijke publicaties heeft opgeleverd, Gogotsi speculeert dat dit werk pas begint.

"Het belangrijkste resultaat van dit werk tot nu toe is dat we het vermogen hebben aangetoond om hoogwaardige 2D-oxiden met verschillende samenstellingen te genereren, "Zei Gogotsi. "Ik zie zeker dat deze benadering wordt uitgebreid naar andere oxiden die aantrekkelijke eigenschappen kunnen bieden voor de opslag van elektrische energie, de membranen van de waterontzilting, fotokatalyse en andere toepassingen."