Forskere bruger almindeligt bordsalt som vækstskabelon til energilagringsmaterialer

Hemmeligheden bag at lave de bedste energilagringsmaterialer er at dyrke dem med så meget overfladeareal som muligt. Som at bage, det kræver den helt rigtige blanding af ingredienser tilberedt i en bestemt mængde og rækkefølge ved den helt rigtige temperatur for at producere et tyndt ark materiale med den perfekte kemiske konsistens, der kan bruges til at lagre energi. Et team af forskere fra Drexel University, Huazhong University of Science and Technology (HUST) og Tsinghua University har for nylig opdaget en måde at forbedre opskriften på og gøre de resulterende materialer større og bedre og opsuge energi – hemmeligheden? Bare tilsæt salt.

Holdets resultater, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , viser, at brugen af ​​saltkrystaller som skabelon til at dyrke tynde plader af ledende metaloxider får materialerne til at blive større og mere kemisk rene - hvilket gør dem bedre egnede til at samle ioner og lagre energi.

"Udfordringen ved at producere et metaloxid, der når teoretiske ydeevneværdier, er, at metoderne til at fremstille det i sagens natur begrænser dets størrelse og ofte forurener dets kemiske renhed, hvilket gør, at den ikke lever op til den forventede energilagringsydelse, " sagde Jun Zhou, en professor ved HUSTs Wuhan National Laboratory for Optoelectronics og forfatter til forskningen. Vores forskning afslører en måde at dyrke stabile oxidplader med mindre tilsmudsning, der er i størrelsesordenen flere hundrede gange større end dem, der i øjeblikket fremstilles."

I en energilagringsenhed – et batteri eller en kondensator, for eksempel - energi er indeholdt i den kemiske overførsel af ioner fra en elektrolytopløsning til tynde lag af ledende materialer. Efterhånden som disse enheder udvikler sig, bliver de mindre og i stand til at holde på en elektrisk ladning i længere tid uden at skulle genoplades. Grunden til deres forbedring er, at forskere fremstiller materialer, der er bedre udstyret, strukturelt og kemisk, til opsamling og udbetaling af ioner.

I teorien, de bedste materialer til jobbet bør være tynde plader af metaloxider, fordi deres kemiske struktur og høje overfladeareal gør det nemt for ioner at fæstne sig - det er sådan energilagring opstår. Men metaloxidpladerne, der er blevet fremstillet i laboratorier indtil videre, er langt fra deres teoretiske evner.

Ifølge Zhou, Tang og holdet fra HUST, problemet ligger i processen med at fremstille nanopladerne - som enten involverer en aflejring fra gas eller en kemisk ætsning - ofte efterlader spor af kemiske rester, der forurener materialet og forhindrer ioner i at binde sig til det. Ud over, materialerne fremstillet på denne måde er ofte kun et par kvadratmikrometer store.

Ved at bruge saltkrystaller som et substrat til dyrkning af krystallerne kan de spredes ud og danne et større ark af oxidmateriale. Tænk på det som at lave en vaffel ved at dryppe dejen i en gryde i stedet for at hælde den i et stort vaffeljern; nøglen til at få en stor, det robuste produkt får løsningen - det være sig dej, eller kemisk forbindelse - for at spredes jævnt over skabelonen og stabilisere på en ensartet måde.

"Denne syntesemetode, kaldet 'skabelon' - hvor vi bruger et offermateriale som et substrat til at dyrke en krystal - bruges til at skabe en bestemt form eller struktur, " sagde Yury Gogotsi, PhD, University and Trustee Chair professor i Drexel's College of Engineering og leder af A.J. Drexel Nanomaterials Institute, som var forfatter til avisen. "Tricket i dette arbejde er, at saltets krystalstruktur skal matche oxidets krystalstruktur, ellers vil det danne en amorf film af oxid i stedet for en ting, stærk og stabil nanokrystal. Dette er nøgleresultatet af vores forskning - det betyder, at forskellige salte skal bruges til at producere forskellige oxider."

Forskere har brugt en række kemikalier, forbindelser, polymerer og objekter som vækstskabeloner for nanomaterialer. Men denne opdagelse viser vigtigheden af ​​at matche en skabelon til strukturen af ​​det materiale, der dyrkes. Saltkrystaller viser sig at være det perfekte substrat til dyrkning af oxidplader af magnesium, molybdæn og wolfram.

Precursoropløsningen dækker siderne af saltkrystallerne, når oxiderne begynder at dannes. Efter at de er størknet, saltet opløses i en vask, efterlader nanometertynde todimensionelle plader, der dannes på siderne af saltkrystallen - og få spor af eventuelle forurenende stoffer, der kan hindre deres energilagringsydelse. Ved at lave oxid nanoark på denne måde, de eneste faktorer, der begrænser deres vækst, er størrelsen af ​​saltkrystallen og mængden af ​​anvendt prækursoropløsning.

"Lateral vækst af 2D-oxiderne blev styret af saltkrystalgeometri og fremmet af gittertilpasning, og tykkelsen blev begrænset af råmaterialeforsyningen. Dimensionerne af saltkrystallerne er titusinder af mikrometer og styrer væksten af ​​2D-oxidet til en lignende størrelse, " skriver forskerne i papiret. "På basis af de naturligt ikke-lagdelte krystalstrukturer af disse oxider, egnetheden af ​​salt-assisteret skabelon som en generel metode til syntese af 2D-oxider er blevet overbevisende demonstreret."

Som forudsagt, den større størrelse af oxidpladerne var også lig med en større evne til at opsamle og afgive ioner fra en elektrolytopløsning - den ultimative test for dets potentiale til at blive brugt i energilagringsenheder. Resultater rapporteret i papiret tyder på, at brug af disse materialer kan hjælpe med at skabe et aluminium-ion-batteri, der kan lagre mere ladning end de bedste lithium-ion-batterier, der findes i bærbare computere og mobile enheder i dag.

Gogotsi, sammen med sine studerende på Institut for Materialevidenskab og Teknik, har samarbejdet med Huazhong University of Science and Technology siden 2012 for at udforske en bred vifte af materialer til energilagring. Hovedforfatteren af Naturkommunikation artikel, Xu Xiao, og medforfatter Tiangi Li, begge Zhou's doktorander, kom til Drexel som udvekslingsstuderende for at lære om universitetets superkondensatorforskning. Disse besøg startede et samarbejde, som blev støttet af Gogotsis årlige ture til HUST. Mens partnerskabet allerede har givet fem fælles publikationer, Gogotsi spekulerer i, at dette arbejde kun er begyndt.

"Det hidtil vigtigste resultat af dette arbejde er, at vi har demonstreret evnen til at generere højkvalitets 2D-oxider med forskellige sammensætninger, " sagde Gogotsi. "Jeg kan helt sikkert se at udvide denne tilgang til andre oxider, der kan tilbyde attraktive egenskaber til lagring af elektrisk energi, vandafsaltningsmembraner, fotokatalyse og andre applikationer."