Ingeniører sandwich atomare lag for at lave nye materialer til energilagring

De videnskabsmænd, hvis opgave det er at teste grænserne for, hvad naturen – specifikt kemi – vil tillade at eksistere, bare oprette butik på nogle nye fast ejendom på det periodiske system. Ved at bruge en metode, de opfandt til at samle forskellige elementære lag til et stabilt materiale med ensartet, forudsigelige egenskaber, Drexel University-forskere tester en række nye kombinationer, der i høj grad kan udvide de tilgængelige muligheder for at skabe hurtigere, mindre, mere effektiv energilagring, avanceret elektronik og slidbestandige materialer.

Ledet af postdoc-forsker Babak Anasori, PhD, et team fra Drexels afdeling for materialevidenskab og teknik skabte materialefremstillingsmetoden, der kan sandwich 2-D ark af elementer, som ellers ikke kunne kombineres på en stabil måde. Og de beviste sin effektivitet ved at skabe to helt nye, lagdelte todimensionelle materialer ved hjælp af molybdæn, titanium og kulstof.

"Ved at 'sandwiche' et eller to atomlag af et overgangsmetal som titanium, mellem monoatomiske lag af et andet metal, såsom molybdæn, med kulstofatomer der holder dem sammen, vi opdagede, at et stabilt materiale kan fremstilles, " sagde Anasori. "Det var umuligt at fremstille et 2-D materiale med kun tre eller fire molybdænlag i sådanne strukturer, men fordi vi tilføjede det ekstra lag titanium som en forbindelse, vi var i stand til at syntetisere dem."

Opdagelsen, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano , er betydningsfuldt, fordi det repræsenterer en ny måde at kombinere elementære materialer til at danne byggestenene i energilagringsteknologi – såsom batterier, kondensatorer og superkondensatorer, samt superstærke kompositter - som dem der bruges i telefoncovers og kropsrustninger. Hver ny kombination af atomtykke lag præsenterer nye egenskaber, og forskere har mistanke om, at en, eller mere, af disse nye materialer vil udvise energilagrings- og holdbarhedsegenskaber, der er så uforholdsmæssige i forhold til dens størrelse, at det kan revolutionere teknologien i fremtiden.

"Selvom det er svært at sige, på dette tidspunkt, præcis hvad der vil blive af disse nye familier af 2-D materialer, vi har opdaget, det er sikkert at sige, at denne opdagelse gør det muligt for materialevidenskab og nanoteknologi at bevæge sig ind i et ukendt territorium, " sagde Anasori.

Mestring af materialer

At kombinere todimensionelle ark af elementer på en organiseret måde for at producere nye materialer har været målet for Drexel nanomaterialeforskere i mere end et årti. At påtvinge denne form for organisation på atomniveau er ingen let opgave.

"På grund af deres struktur og elektriske ladning, visse elementer 'kan' ikke lide at blive kombineret, " sagde Anasori. "Det er som at prøve at stable magneter med polerne vendt i samme retning - du vil ikke få særlig succes, og du kommer til at opfange en masse flyvende magneter."

Men Drexel-forskere fandt på en smart måde at omgå denne kemiudfordring. Det starter med et materiale kaldet en MAX fase, som blev opdaget af den fremtrædende professor Michel W. Barsoum, PhD, leder af MAX/MXene Research Group, mere end to årtier siden. En MAX-fase er som den oprindelige væske, der genererede de første organismer - alle elementerne i det færdige produkt er i MAX-fasen, venter på, at forskerne indfører en vis orden.

Den ordre blev pålagt af Michel W. Barsoum, PhD og Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University and Trustee Chair professor i College of Engineering og leder af Drexel Nanomaterials Group, da de først skabte en stald, todimensionelle, lagdelt materiale kaldet MXene i 2011.

For at oprette MXenes, forskerne udvinder selektivt lag af aluminiumsatomer fra en blok af MAX-fase ved at ætse dem ud med en syre.

"Tænk på MXene-syntese som at adskille trælag ved at dyppe en krydsfinerplade ned i et kemikalie, der opløser limen, " sagde Anasori. "Ved at sætte en MAX fase i syre, vi har været i stand til selektivt at ætse visse lag væk og forvandle MAX-fasen til mange tynde 2-D-ark, som vi kalder MXenes."

Hvad angår energilagringsmaterialer, MXenes var en åbenbaring. Forud for deres opdagelse, grafen, som er et enkelt ark af carbonatomer, var det første todimensionelle materiale, der blev udråbt for dets potentielle energilagringskapacitet. Men, da det kun bestod af ét element, kulstof, grafen var vanskelig at ændre i form og havde derfor begrænsede energilagringsmuligheder. De nye MXenes har overflader, der kan lagre mere energi.

Et elementært dødvande

Fire år senere, forskerne har arbejdet sig gennem sektionen af ​​det periodiske system med grundstoffer kaldet "overgangsmetaller, producerer MAX faser og ætser dem ind i MXener af forskellige sammensætninger, mens de tester deres energilagringsegenskaber.

Anasoris opdagelse kommer på et tidspunkt, hvor gruppen er stødt på en forhindring på deres fremskridt gennem tabellen af ​​elementer.

"Vi var kommet lidt i en blindgyde, når man forsøger at producere et molybdæn indeholdende MXener, " sagde Anasori. "Ved at tilføje titanium til blandingen lykkedes det os at lave en bestilt molybdæn MAX fase, hvor titanium atomerne er i centrum og molybdænet på ydersiden.

Den næste grænse

Nu, ved hjælp af teoretiske beregninger udført af forskere ved FIRST Energy Frontier Research Center ved Oak Ridge National Laboratory, Drexels team ved det, i princippet, den kan bruge denne metode til at lave så mange som 25 nye materialer med kombinationer af overgangsmetaller, såsom molybdæn og titanium, som tidligere ikke ville have været forsøgt.

"At have muligheden for at lægge forskellige elementer i lag på den tyndeste form for materiale kendt af det videnskabelige samfund fører til spændende nye strukturer og tillader hidtil uset kontrol over materialers egenskaber, " sagde Barsoum. "Denne nye lagdelingsmetode giver forskere et ufatteligt antal muligheder for at justere materialernes egenskaber til en række højteknologiske applikationer."

Anasori planlægger at lave flere materialer ved at erstatte titanium med andre metaller, såsom vanadium, niobium, og tantal, som kunne afdække en åre af nye fysiske egenskaber, der understøtter energilagring og andre applikationer.

"Dette niveau af strukturel kompleksitet, eller lagdeling, i 2-D materialer har potentialet til at føre til mange nye strukturer med unik kontrol over deres egenskaber, " sagde Gogotsi. "Vi ser mulige anvendelser inden for termoelektrik, batterier, katalyse, solceller, elektroniske anordninger, strukturelle kompositter og mange andre områder, muliggør et nyt niveau af teknik på atomskalaen."