At skabe ønskværdige materialer kræver salt, men ikke plads

(PhysOrg.com) -- Når man syntetiserer specialiserede materialer til energifyldte batterier, problemet er skabelonen. Mønsteret til selvsamling af de meget ønskede nanometer-sfærer falder fra hinanden, producerer uregelmæssige metaloxidklumper. Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory bestemte, hvordan skabelonen skulle holdes intakt. Svaret er så enkelt som at tilføje salt til processen.

Elektriske køretøjer og landets elnet ville begge drage fordel af energitætte, langtidsholdbare batterier. Elbiler kan køre længere mellem opladninger. Elnettet kunne udnytte lagret vind- og solenergi. Sådanne batterier kræver nye materialer med specifikke nanostørrelser. Desværre, at designe disse materialer har været en proces med forsøg og fejl. Forskere ville foretrække at designe skabeloner, bland reaktanter sammen, og lader materialerne samle sig selv. Problemet er, at skabelonerne ikke holder. Med svarene fra denne undersøgelse, forskere kan fremstille identiske partikler, som derefter samles til batterielektroder.

"Denne forskning giver grundlæggende svar, der er nødvendige for at producere høj kvalitet, veldefinerede materialer, der vil fungere som elektroder i lithium-ion-batterier og næste generation af lithium-luft-batterier, " sagde Dr. Maria Sushko, en PNNL-materialeforsker, der arbejdede på undersøgelsen med Dr. Jun Liu.

Med udgangspunkt i eksperimentel forskning, PNNL-forskerne udførte teoretiske analyser af skabelonstabilitet for titaniumdioxid og andre metaloxid-nanopartikler selvsamling. Analysen var en klassisk tæthed funktionel teori, eller cDFT, undersøgelse.

Holdet undersøgte skabelonen, som består af to dele. Først, basen er et lag af veldefinerede, ledende grafen. Den anden del er et overfladeaktivt middel. Det overfladeaktive middel er et molekyle, der er defineret af dets "hoved" og "hale"-kemi. Hovedet af molekylet er hydrofobt eller "vandfrygtende" og hæfter til grafen. Halen er hydrofil og interagerer med opløsningen indeholdende ingredienserne til dannelse af de ønskede metaloxidpartikler. Det overfladeaktive stof danner små høje på grafenet, der fungerer som skabelon for nanopartikeldannelsen.

"Men medmindre de overfladeaktive stoffer danner en stabil struktur, hele det, du bygger, falder fra hinanden, " sagde Sushko.

Forskerne opdagede, at nøglen til skabelonstabilitet var at introducere et salt, specifikt dobbeltladede kationer og enkeltladede anioner, ind i blandingen. Derefter, holdet brugte dette resultat til at forudsige, hvordan titaniumdioxid-nanopartikler vokser på skabelonen. De fandt ud af, at partiklerne vokser mellem dypperne i de hemicylindriske skabeloner. Imidlertid, hvis partiklerne vokser ud af sprækkerne, skabelonen ændres fra høje til en glat, græslignende overflade. Derefter, partiklerne vokser inkonsekvent, smelter sammen til større klynger.

"Hvis vi bruger resultaterne af dette papir [publiceret i Journal of Physical Chemistry B ], vi kan dyrke nanopartikler i det indelukkede stof for at skabe større, ensartet størrelse nanopartikler af metaloxider, såsom titaniumdioxid, hvilket er meget vigtigt for at skabe de materialer, du har brug for til elektroder til batterier, " sagde Sushko.

Hvad er det næste:Holdet arbejder på en eksperimentbaseret undersøgelse for at udvikle en grundig forståelse af selvsamlings- og kernedannelsesprocesser involveret i at konstruere nanokompositmaterialer. Denne kommende undersøgelse og andre lignende er nødvendige for at opklare mysterierne om selvsamling og tillade videnskabsmænd at kontrollere materialesyntese.