Onderzoekers van de UCL hebben linten van één atoom dik gemaakt van fosfor gelegeerd met arseen, die de efficiëntie van apparaten zoals batterijen, supercondensatoren en zonnecellen dramatisch zouden kunnen verbeteren.

Het onderzoeksteam ontdekte fosfor-nanolinten in 2019. Het 'wondermateriaal', dat naar verwachting een revolutie teweeg zal brengen in apparaten variërend van batterijen tot biomedische sensoren, wordt sindsdien gebruikt om de levensduur van lithium-ionbatterijen en de efficiëntie van zonnecellen te verlengen.

Materialen die alleen fosfor bevatten, geleiden elektriciteit echter niet zo goed, waardoor het gebruik ervan voor bepaalde toepassingen wordt belemmerd.

In de nieuwe studie, gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society , creëerden de onderzoekers nanolinten gemaakt van fosfor en kleine hoeveelheden arseen, waarvan ze ontdekten dat ze elektriciteit konden geleiden bij temperaturen boven -140°C, terwijl ze de zeer nuttige eigenschappen van de linten met alleen fosfor behielden.

Senior auteur Dr. Adam Clancy (UCL Chemistry) zei:“Vroeg experimenteel werk heeft al de opmerkelijke belofte aangetoond van fosfor nanolinten, die in 2019 voor het eerst door ons UCL-team zijn gemaakt. In 2021 werd bijvoorbeeld aangetoond dat het toevoegen van de Nanolinten als laag voor perovskietzonnecellen zorgden ervoor dat de cellen meer energie uit de zon konden benutten.

"Ons laatste werk op het gebied van het legeren van fosfor-nanolinten met arseen opent nieuwe mogelijkheden, in het bijzonder het verbeteren van de energieopslag van batterijen en supercondensatoren, en het verbeteren van nabij-infrarooddetectoren die in de geneeskunde worden gebruikt.

"De arseen-fosforlinten zijn ook magnetisch gebleken, waarvan we denken dat ze afkomstig zijn van atomen langs de rand, waardoor ze mogelijk ook interessant zijn voor kwantumcomputers.

"Meer in het algemeen laat de studie zien dat legering een krachtig hulpmiddel is voor het beheersen van de eigenschappen en dus de toepassingen en het potentieel van deze groeiende familie van nanomaterialen." De onderzoekers zeggen dat dezelfde techniek kan worden gebruikt om legeringen te maken die fosfor combineren met andere elementen zoals selenium of germanium.

Om als anodemateriaal in lithium-ion- of natrium-ionbatterijen te kunnen worden gebruikt, moeten fosfor-nanolinten momenteel worden gemengd met een geleidend materiaal zoals koolstof. Door arseen toe te voegen is de koolstofvuller niet langer nodig en kan deze worden verwijderd, waardoor de hoeveelheid energie die de batterij kan opslaan en de snelheid waarmee deze kan worden opgeladen en ontladen worden vergroot.

In zonnecellen kunnen arseen-fosfor nanolinten de ladingsstroom door de apparaten verder verbeteren, waardoor de efficiëntie van de cellen wordt verbeterd.

De arseen-fosforlinten die door het onderzoeksteam werden gemaakt, waren doorgaans enkele lagen hoog, enkele micrometers lang en tientallen nanometers breed. Ze werden gemaakt door kristallen gevormd uit platen fosfor en arseen te mengen met lithium opgelost in vloeibare ammoniak bij -50°C. (Na 24 uur wordt de ammoniak verwijderd en vervangen door een organisch oplosmiddel.) De atomaire structuur van de vellen betekent dat de lithiumionen zich slechts in één richting kunnen verplaatsen, en niet zijdelings, waardoor scheuren ontstaan ​​waardoor de linten ontstaan.

Een belangrijk kenmerk van de nanolinten is dat ze ook een extreem hoge ‘gatenmobiliteit’ hebben. Gaten zijn de tegenovergestelde partners van elektronen in elektrisch transport, dus het verbeteren van hun mobiliteit (een maatstaf voor de snelheid waarmee ze door het materiaal bewegen) helpt de elektrische stroom efficiënter te verplaatsen.

De nanolinten zouden op grote schaal geproduceerd kunnen worden in een vloeistof, die vervolgens gebruikt zou kunnen worden om ze tegen lage kosten in volume toe te passen voor verschillende toepassingen.

Fosfor-nanolinten werden ontdekt aan de UCL door een interdisciplinair team onder leiding van professor Chris Howard (UCL Physics &Astronomy). Sinds de isolatie van tweedimensionale fosforeenplaten in 2014 hebben meer dan 100 theoretische onderzoeken nieuwe en opwindende eigenschappen voorspeld die zouden kunnen ontstaan ​​door de productie van smalle linten van dit materiaal.

Meer informatie: Feng Fei Zhang et al., Productie van magnetische arseen-fosforlegering nanolinten met kleine bandafstanden en hoge geleidbaarheid, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c03230

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society

Aangeboden door University College London