Tid til en ny konkurrent inden for energiomdannelse og lagring

Evolutionær søgning har hjulpet forskere med at forudsige den laveste energistruktur af et todimensionalt (2-D) materiale, B ₂ P ₆ , med nogle bemærkelsesværdige træk, herunder strukturel anisotropi og Janus -geometri.

Janus-materialer-opkaldt efter den tosidige græske gud for dualitet-har to overflader med forskellige fysiske egenskaber. Som sådan, de tilbyder unikke fordele, såsom høj sol-til-brint-effektivitet.

Anisotropiske materialer udviser forskellige egenskaber, når de måles i forskellige retninger. I tilfælde af B ₂ P ₆ , den ioniske diffusion er stærkt anisotrop, en funktion, der potentielt kan være nyttig i overkommelige energilagringsløsninger, såsom metal-ion-batterier.

I modsætning til fortilfælde, såsom grafen, endnu et 2-D materiale, dette nye materiale har et bredt indstilleligt båndgab, der gør det til en bedre kandidat til brug i elektroniske enheder.

Udo Schwingenschlögl, professor i anvendt fysik ved KAUST, og Minglei Sun, en postdoc, foretog en detaljeret søgning efter den mest stabile 2-D krystalstruktur af binære forbindelser omfattende bor- og fosforatomer, indtil de nåede frem til B ₂ P ₆ .

"Vi brugte state-of-the-art evolutionær søgning og første-princip-beregninger til at forudsige denne struktur, "siger Sun.

Baseret på biologisk udvikling, evolutionær søgning er en beregningsmetode, hvormed forskerne kan søge efter en krystalstruktur inden for tusinder af kandidater. Ved at bruge denne struktur som input i beregninger af første principper, de kan derefter bestemme de fysiske egenskaber i henhold til principperne i kvanteteorien.

"De ekstraordinære træk, der er udstyret med anisotropi og Janus-geometri, inspirerede os til at søge efter et 2-D-materiale, der kombinerer disse fordele, "forklarer Sun. Denne kombination giver mulighed for nye ejendomme, og til gengæld, bredere applikationer.

I foreløbig forskning, B ₂ P ₆ viste fremragende løfte inden for elektronik og til anvendelse inden for energiomdannelse og lagring.

Det nye materiale viser stærk lysabsorbering, gør det potentielt nyttigt i ren brændstofproduktion fra fotokatalytisk vandopdeling-en proces, der bruger naturligt eller kunstigt lys til at producere brint fra vand. Det er mere effektivt end traditionelle fotokatalysatorer, hovedsagelig på grund af den lave rekombinationshastighed for fotogenererede bærere.

"For B. ₂ P ₆ , rekombinationen af ​​fotogenererede bærere undertrykkes betydeligt af det iboende elektriske felt induceret af dets Janus -struktur, "forklarer Sun." Det betyder, at flere fotogenererede bærere vil deltage i redoxreaktionerne for vandspaltning. Effektiviteten af ​​bærerudnyttelse er så høj som 45,1 procent. "

Næste, forskerne planlægger at "forudsige mere anisotropiske Janus 2-D materialer med ekstraordinære egenskaber og give eksperimentelle retningslinjer for kolleger, "Schwingenschlögl siger.