Nanoskala af energilagring

I et laboratorium 18 fod under Engineering Quad fra Stanford University, forskere i Dionne -laboratoriet slog lejr med et af de mest avancerede mikroskoper i verden for at fange en ufatteligt lille reaktion.

Laboratoriemedlemmerne gennemførte besværlige eksperimenter - nogle gange krævede kontinuerlige 30 timers arbejde - for at fange realtid, dynamiske visualiseringer af atomer, der en dag kan hjælpe vores telefonbatterier med at holde længere, og vores elektriske køretøjer kommer længere på en enkelt opladning.

Sliter under jorden i de tunnellerede laboratorier, de registrerede atomer, der bevægede sig ind og ud af nanopartikler mindre end 100 nanometer i størrelse, med en opløsning, der nærmer sig 1 nanometer.

"Evnen til direkte at visualisere reaktioner i realtid med så høj opløsning vil give os mulighed for at udforske mange ubesvarede spørgsmål inden for de kemiske og fysiske videnskaber, "sagde Jen Dionne, lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford og seniorforfatter af papiret, der beskriver dette arbejde, udgivet 16. januar i Naturkommunikation . "Selvom forsøgene ikke er lette, de ville ikke være mulige uden de bemærkelsesværdige fremskridt inden for elektronmikroskopi fra det sidste årti. "

Deres eksperimenter fokuserede på brint, der flyttede ind i palladium, en klasse af reaktioner kendt som en interkalationsdrevet faseovergang. Denne reaktion er fysisk analog med, hvordan ioner strømmer gennem et batteri eller en brændselscelle under opladning og afladning. At observere denne proces i realtid giver indsigt i, hvorfor nanopartikler laver bedre elektroder end bulkmaterialer og passer ind i Dionnes større interesse for energilagringsenheder, der kan oplades hurtigere, holde mere energi og afværge permanent fiasko.

Teknisk kompleksitet og spøgelser

Til disse forsøg, Dionne -laboratoriet skabte palladium -nanokuber, en form for nanopartikel, der varierede i størrelse fra ca. 15 til 80 nanometer, og derefter placeret dem i et hydrogengas -miljø inden for et elektronmikroskop. Forskerne vidste, at brint ville ændre både gitterets dimensioner og de elektroniske egenskaber ved nanopartiklen. De troede, at med den passende mikroskoplins og blændekonfiguration teknikker kaldet scanningstransmissionselektronmikroskopi og elektronenergitabspektroskopi kan vise brintoptagelse i realtid.

Efter måneders forsøg og fejl, resultaterne var ekstremt detaljerede, real-time videoer af ændringerne i partiklen som hydrogen blev introduceret. Hele processen var så kompliceret og roman, at første gang den virkede, laboratoriet havde ikke engang videosoftwaren kørende, får dem til at fange deres første filmsucces på en smartphone.

Efter disse videoer, de undersøgte nanokuberne i mellemliggende faser af hydrogenering ved hjælp af en anden teknik i mikroskopet, kaldet mørkfeltbilleddannelse, som er afhængig af spredte elektroner. For at stoppe hydrogeneringsprocessen, forskerne kastede nanokuberne ned i et isbad af flydende nitrogen midtreaktion, sænke deres temperatur til 100 grader Kelvin (-280 F). Disse billeder i mørke felter tjente som en måde at kontrollere, at anvendelsen af ​​elektronstrålen ikke havde påvirket de tidligere observationer og tillod forskerne at se detaljerede strukturelle ændringer under reaktionen.

"Med det gennemsnitlige forsøg på omkring 24 timer ved denne lave temperatur, vi stod over for mange instrumentproblemer og ringede til Ai Leen Koh [medforfatter og forsker ved Stanfords Nano Shared Facilities] på de underligste timer om natten, "mindede Fariah Hayee, hovedmedforfatter af undersøgelsen og kandidatstuderende i Dionne-laboratoriet. "Vi stødte endda på et 'ghost-of-the-joystick-problem, 'hvor joysticket syntes at flytte prøven ukontrollabelt i nogen tid. "

Mens de fleste elektronmikroskoper fungerer med prøven holdt i et vakuum, Mikroskopet, der bruges til denne forskning, har den avancerede evne til at tillade forskerne at introducere væsker eller gasser til deres prøve.

"Vi har stor gavn af at have adgang til et af de bedste mikroskopfaciliteter i verden, "sagde Tarun Narayan, hovedmedforfatter af denne undersøgelse og nyere doktorgrad fra Dionne-laboratoriet. "Uden disse specifikke værktøjer, vi ville ikke være i stand til at introducere hydrogengas eller nedkøle vores prøver nok til at se disse processer finde sted. "

Skubber ufuldkommenheder ud

Bortset fra at være et bredt anvendeligt bevis på koncept for denne pakke med visualiseringsteknikker, at se atomer bevæge sig giver større validering af de store forhåbninger, mange forskere har til nanopartikel energilagringsteknologier.

Forskerne så atomer bevæge sig ind gennem nanokubens hjørner og observerede dannelsen af ​​forskellige ufuldkommenheder i partiklen, når brint bevægede sig indeni den. Dette lyder som et argument mod løftet om nanopartikler, men det er fordi det ikke er hele historien.

"Nanopartiklen har evnen til at helbrede sig selv, "sagde Dionne." Når du først introducerer brint, partiklen deformeres og mister sin perfekte krystallinitet. Men når partiklen har absorberet så meget brint som muligt, det forvandler sig selv tilbage til en perfekt krystal igen. "

Forskerne beskriver dette som ufuldkommenheder, der bliver "skubbet ud" af nanopartiklen. Denne nanokubes evne til at helbrede sig selv gør den mere holdbar, en nøgleegenskab, der er nødvendig for energilagringsmaterialer, der kan opretholde mange opladnings- og afladningscyklusser.

Ser mod fremtiden

Når effektiviteten af ​​vedvarende energiproduktion stiger, behovet for energilagring af højere kvalitet er mere presserende end nogensinde. Det er sandsynligt, at fremtidens opbevaring vil stole på nye kemikalier og resultaterne af denne forskning, herunder mikroskopiteknikkerne, som forskerne forbedrede undervejs, vil gælde for næsten enhver løsning i disse kategorier.

For sin del, Dionne -laboratoriet har mange retninger, det kan gå herfra. Teamet kunne se på en række forskellige materialesammensætninger, eller sammenligne, hvordan størrelser og former af nanopartikler påvirker den måde, de fungerer på, og, snart, drage fordel af nye opgraderinger til deres mikroskop for at studere lysdrevne reaktioner. På nuværende tidspunkt, Hayee er gået videre til at eksperimentere med nanoroder, som har mere overfladeareal for ionerne at bevæge sig igennem, lovende potentielt endnu hurtigere kinetik.