En enklere proces til at dyrke germanium nanotråde kunne forbedre lithium-ion-batterier

(Phys.org) – Forskere ved Missouri University of Science and Technology har udviklet, hvad de kalder "en enkel, one-step metode" til at dyrke nanotråde af germanium fra en vandig opløsning. Deres proces kunne gøre det mere gennemførligt at bruge germanium i lithium-ion-batterier.

Missouri S&T-forskerne beskriver deres metode i "Electrodeposited Germanium Nanowires, "et papir offentliggjort i dag (torsdag, 28. august, 2014) på ​​tidsskriftets hjemmeside ACS Nano . Deres et-trins tilgang kunne føre til en enklere, billigere måde at dyrke germanium nanotråde på.

Som et halvledermateriale, germanium er overlegen i forhold til silicium, siger Dr. Jay A. Switzer, Donald L. Castleman/Foundation for Chemical Research Professor i Discover ved Missouri S&T. Germanium blev endda brugt i de første transistorer. Men det er dyrere at behandle til udbredt brug i batterier, solceller, transistorer og andre applikationer, siger Switzer, hvem er ledende forsker på projektet.

Switzer og hans team har haft succes med at dyrke andre materialer på nanometerskala gennem elektroaflejring - en proces, som Switzer sammenligner med at "dyrke stenslikkrystaller på en snor." For eksempel, i en 2009 Materialernes kemi papir, Switzer og hans team rapporterede, at de havde dyrket zinkoxid "nanospears" - hver hundrede gange mindre end bredden af ​​et menneskehår - på en enkeltkrystal siliciumwafer placeret i et bægerglas fyldt med en alkalisk opløsning mættet med zinkioner.

Men at dyrke germanium på nano-niveau er ikke så simpelt. Faktisk, elektroaflejring i en vandig opløsning som den, der blev brugt til at dyrke zinkoxid-nanospydene "er termodynamisk ikke mulig, "Switzer og hans team forklarer i deres ACS Nano papir, "Elektrodeponerede Germanium Nanotråde."

Så Missouri S&T-forskerne tog en anden tilgang. De modificerede en elektroaflejringsproces, der viste sig at producere germanium nanotråde ved hjælp af flydende metalelektroder. Den proces, udviklet af University of Michigan forskere ledet af Dr. Stephen Maldonado og kendt som den elektrokemiske væske-væske-fast proces (ec-LLS), involverer brugen af ​​en metallisk væske, der udfører to funktioner:Den fungerer som en elektrode, der forårsager elektroaflejringen samt et opløsningsmiddel til at omkrystallisere nanopartikler.

Switzer og hans team anvendte ec-LLS-processen ved elektrokemisk at reducere indium-tinoxid (ITO) for at producere indiumnanopartikler i en opløsning indeholdende germaniumdioxid, eller Ge(IV). "Indiumnanopartiklen i kontakt med ITO'en fungerer som elektrode til reduktion af Ge(IV) og opløser også det reducerede Ge i partiklen, " rapporterer Missouri S&T-teamet i ACS Nano papir. Germaniumet "begynder derefter at krystallisere ud af nanopartiklerne, hvilket tillader væksten af ​​nanotråden."

Missouri S&T-forskerne testede effekten af ​​temperatur for elektroaflejring ved at dyrke germanium nanotrådene ved stuetemperatur og ved 95 grader Celsius (203 grader Fahrenheit). De fandt ingen signifikant forskel i kvaliteten af ​​nanotrådene, selvom nanotrådene dyrket ved stuetemperatur havde mindre diametre. Switzer mener, at evnen til at producere nanotrådene ved stuetemperatur gennem denne et-trins proces kan føre til en billigere måde at fremstille materialet på.

"Den høje ledningsevne (af germanium nanotråde) gør dem ideelle til lithium-ion batteriapplikationer, " siger Switzer.