Hurtig og rasende:Ny klasse af 2D-materialer lagrer elektrisk energi

Som et batteri, MXenes kan lagre store mængder elektrisk energi gennem elektrokemiske reaktioner - men i modsætning til batterier, kan oplades og aflades på få sekunder. I samarbejde med Drexel University, et hold hos HZB viste, at interkalation af urinstofmolekyler mellem MXene-lag kan øge kapaciteten af ​​sådanne 'pseudo-kondensatorer' med mere end 50 procent. På BESSY II har de analyseret, hvordan ændringer i MXene-overfladekemien efter urea-interkalation er ansvarlige for dette.

Der findes forskellige løsninger til lagring af elektrisk energi:Lithium-baserede elektrokemiske batterier, for eksempel, lagre store mængder energi, men kræver lange opladningstider. Superkondensatorer, på den anden side, er i stand til at absorbere eller frigive elektrisk energi ekstremt hurtigt - men lagre meget mindre elektrisk energi.

Pseudokondensator MXene

En yderligere mulighed er i horisonten siden 2011:En ny klasse af 2-D materialer, der opbevarer enorme mængder ladning, blev opdaget på Drexel University, i USA. Disse er såkaldte MXenes, Ti ₃ C ₂ Tx nanoark, der danner et todimensionelt netværk sammen, ligner grafen. Mens titanium (Ti) og kulstof (C) er grundstoffer, Tx beskriver forskellige kemiske grupper, der forsegler overfladen, for eksempel OH-grupper. MXener er stærkt ledende materialer med hydrofile overflader og kan danne dispersioner, der ligner sort blæk, sammensat af stablede lagdelte partikler i vand.

Ti ₃ C ₂ Tx MXene kan lagre lige så meget energi som batterier, men kan oplades eller aflades inden for få sekunder. Mens tilsvarende hurtige (eller hurtigere) superkondensatorer absorberer deres energi ved elektrostatisk adsorption af elektriske ladninger, energien er lagret i kemiske bindinger på overfladen af ​​MXener. Energilagring er derfor meget mere effektivt.

Ny indsigt i kemi ved hjælp af bløde røntgenmetoder

I samarbejde med gruppen af ​​Yuri Gogotsi på Drexel University, HZB-forskerne Dr. Tristan Petit og Ameer Al-Temimy har nu for første gang brugt blød røntgenabsorptionsspektroskopi til at undersøge MXene-prøver på to forsøgsstationer - LiXEdrom og X-PEEM ved BESSY II. Med disse metoder, det kemiske miljø af MXene-overfladegrupper blev analyseret over individuelle MXene-flager i vakuum, men også direkte i vandmiljøet. De fandt dramatiske forskelle mellem uberørte MXener og MXener, mellem hvilke urinstofmolekyler var interkaleret.

Urea øger kapaciteten

Tilstedeværelsen af ​​urinstofmolekyler ændrer også signifikant de elektrokemiske egenskaber af MXener. Arealkapaciteten steg til 1100 mF/cm ² , hvilket er 56 procent højere end pristineTi ₃ C ₂ Tx-elektroder fremstillet på samme måde. XAS-analyserne på BESSY II viste, at overfladekemien ændres af tilstedeværelsen af ​​urinstofmolekylerne. "Vi kunne også observere oxidationstilstanden af ​​Ti-atomerne på Ti ₃ C ₂ Tx MXene overflader ved at bruge X-PEEM. Denne oxidationstilstand var højere med tilstedeværelsen af ​​urinstof, hvilket kan gøre det lettere at lagre mere energi, " siger Ameer Al-Temimy, som udførte målingerne som en del af sin doktorgrad.