Bladvenestruktur kan være nøglen til at forlænge batteriets levetid

Den naturlige struktur, der findes i blade, kan forbedre alt fra genopladelige batterier til højtydende gassensorer, ifølge et internationalt team af forskere. Forskerne har designet en porøs, såsom vener af et blad, og kunne gøre energioverførsler mere effektive. Materialet kan forbedre ydelsen af ​​genopladelige batterier, optimering af opladnings- og afladningsprocessen og aflastning af spændinger i batteriets elektroder, hvilken, i øjeblikket, begrænse deres levetid. Det samme materiale kan bruges til højtydende gassensing eller til katalyse for at nedbryde organiske forurenende stoffer i vand.

For at designe dette bioinspirerede materiale, et internationalt team bestående af forskere fra Kina, Det Forenede Kongerige, USA og Belgien efterligner reglen kendt som 'Murray's Law', der hjælper naturlige organismer med at overleve og vokse. Ifølge denne lov, hele netværket af porer, der findes på forskellige skalaer i sådanne biologiske systemer, er sammenkoblet på en måde for at lette overførsel af væsker og minimere modstand i hele netværket. Planten stammer af et træ, eller bladårer, for eksempel, optimere strømmen af ​​næringsstoffer til fotosyntese med både høj effektivitet og minimalt energiforbrug ved regelmæssigt at forgrene sig til mindre skalaer. På samme måde, overfladearealet af insekternes trakeale porer forbliver konstant langs diffusionsvejen for at maksimere leveringen af ​​kuldioxid og oxygen i gasform.

Holdet, ledet af Prof Bao-Lian Su, et liv medlem af Clare Hall, University of Cambridge, og som også er baseret på Wuhan University of Technology i Kina og ved University of Namur i Belgien, tilpassede Murrays lov til fremstilling af det første syntetiske 'Murray-materiale' nogensinde og anvendte det på tre processer:fotokatalyse, gassensor og lithium-ion batterielektroder. I hver, de fandt ud af, at de porøse net af deres syntetiske materiale i flere målestokke forbedrede disse processers ydeevne betydeligt.

Prof Su siger:

"Denne undersøgelse viser, at ved at tilpasse Murrays lov fra biologi og anvende den på kemi, materialernes ydeevne kan forbedres betydeligt. Tilpasningen kan gavne en lang række porøse materialer og forbedre funktionel keramik og nanometaller, der bruges til energi- og miljøapplikationer. "" Introduktionen af ​​Murray's lov til industrielle processer kunne revolutionere design af reaktorer med stærkt forbedret effektivitet, minimum energi, tid, og råvareforbrug for en bæredygtig fremtid."

Skriver ind Naturkommunikation denne uge, holdet beskriver, hvordan det brugte zinkoxid (ZnO) nanopartikler som den primære byggesten i deres Murray-materiale. Disse nanopartikler, indeholdende små porer i dem, danne det laveste niveau af det porøse netværk. Holdet arrangerede ZnO-partiklerne gennem en lag-for-lag-fordampningsdrevet selvsamlingsproces. Dette skaber et andet niveau af porøse netværk mellem partiklerne. Under fordampningsprocessen, partiklerne danner også større porer på grund af opløsningsmiddelfordampning, som repræsenterer det øverste niveau af porer, resulterer i et Murray-materiale i tre niveauer. Teamet fremstillede med succes disse porøse strukturer med de præcise diameterforhold, der kræves for at adlyde Murrays lov, muliggør effektiv overførsel af materialer på tværs af porenettet på flere niveauer.

Medforfatter, Dr Tawfique Hasan, fra Cambridge Graphene Centre, en del af Universitetets Institut for Ingeniørvidenskab, tilføjer:

"Denne allerførste demonstration af en Murray-materialefremstillingsproces er utrolig enkel og er helt drevet af nanopartikels selvsamling. Stor porøs fremstilling af dette porøse materiale er mulig, gør det til en spændende, muliggørende teknologi, med potentiel indvirkning på tværs af mange applikationer. "

Med sit syntetiske Murray-materiale, med præcise diameterforhold mellem porenniveauet, holdet demonstrerede en effektiv nedbrydning af et organisk farvestof i vand ved hjælp af fotokatalyse. Dette viste, at det var let for farvestoffet at komme ind i det porøse netværk, hvilket førte til effektive og gentagne reaktionscyklusser. Holdet brugte også det samme Murray-materiale med en struktur svarende til insekternes vejrtrækningsnetværk, til hurtig og følsom gasdetektion med høj repeterbarhed.

Holdet beviste, at dets Murray-materiale markant kan forbedre den langsigtede stabilitet og hurtig opladning/afladningskapacitet til lithiumion-lagring, med en kapacitetsforbedringer på op til 25 gange sammenlignet med det avancerede grafitmateriale, der i øjeblikket anvendes i lithium-ion batterielektroder. Den hierarkiske karakter af porerne reducerer også spændingerne i disse elektroder under opladnings-/afladningsprocesserne, forbedre deres strukturelle stabilitet og resultere i en længere levetid for energilagringsenheder.

Teamet forestiller sig, at strategien kan bruges effektivt i materialedesign til energi- og miljøapplikationer.