Et-atom-tykke fosfor/arsen-legeringsbånd kunne forbedre batterier, solceller og sensorer

Forskere ved UCL har skabt et-atom-tykke bånd lavet af fosfor legeret med arsen, som dramatisk kunne forbedre effektiviteten af ​​enheder som batterier, superkondensatorer og solceller.

Forskerholdet opdagede fosfor-nanobånd i 2019. "vidundermaterialet", der forudsiges at revolutionere enheder lige fra batterier til biomedicinske sensorer, er siden blevet brugt til at øge lithium-ion-batteriets levetid og solcelleeffektivitet.

Men materialer, der kun indeholder fosfor, leder ikke elektricitet særlig godt, hvilket hindrer deres brug til visse applikationer.

I den nye undersøgelse, offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , skabte forskerne nanobånd lavet af fosfor og små mængder arsen, som de fandt var i stand til at lede elektricitet ved temperaturer over -140°C, samtidig med at de bibeholdt de meget nyttige egenskaber af de kun fosfor-bånd.

Seniorforfatter Dr. Adam Clancy (UCL Chemistry) sagde:"Tidligt eksperimentelt arbejde har allerede vist det bemærkelsesværdige løfte om fosfor nanobånd, skabt for første gang af vores UCL-hold i 2019. I 2021 blev det for eksempel vist, at tilføjelse af nanobånd som et lag til perovskit-solceller gjorde det muligt for cellerne at udnytte mere energi fra solen.

"Vores seneste arbejde med at legere fosfor-nanobånd med arsen åbner op for yderligere muligheder – især forbedring af energilagring af batterier og superkondensatorer og forbedring af nær-infrarøde detektorer, der bruges i medicin.

"Arsen-fosforbåndene har også vist sig at være magnetiske, som vi tror kommer fra atomer langs kanten, hvilket gør dem potentielt interessante for kvantecomputere også.

"Mere bredt viser undersøgelsen, at legering er et stærkt værktøj til at kontrollere egenskaberne og dermed anvendelserne og potentialet for denne voksende nanomaterialefamilie." Forskerne siger, at samme teknik kunne bruges til at lave legeringer, der kombinerer fosfor med andre grundstoffer såsom selen eller germanium.

For at blive brugt som et anodemateriale i lithium-ion- eller natrium-ion-batterier, skal fosfor-nanobånd i øjeblikket blandes med et ledende materiale som kulstof. Ved at tilføje arsen er kulstoffyldstoffet ikke længere nødvendigt og kan fjernes, hvilket øger mængden af ​​energi, batteriet kan lagre, og hastigheden, hvormed det kan oplades og aflades.

I solceller kan arsen-fosfor nanobånd i mellemtiden forbedre strømmen af ​​ladning gennem enhederne, hvilket forbedrer cellernes effektivitet.

De arsen-fosfor-bånd, som forskerholdet skabte, var typisk et par lag høje, flere mikrometer lange og snesevis af nanometer brede. De blev fremstillet ved at blande krystaller dannet af plader af fosfor og arsen med lithium opløst i flydende ammoniak ved -50°C. (Efter 24 timer fjernes ammoniakken og erstattes med et organisk opløsningsmiddel.) Arkenes atomare struktur betyder, at lithiumionerne kun kan bevæge sig i én retning, ikke lateralt, hvilket forårsager revner, der skaber båndene.

Et centralt kendetegn ved nanobåndene er, at de også har ekstrem høj "hul-mobilitet". Huller er den modsatte partner til elektroner i elektrisk transport, så en forbedring af deres mobilitet (et mål for den hastighed, hvormed de bevæger sig gennem materialet) hjælper elektrisk strøm med at bevæge sig mere effektivt.

Nanobåndene kunne fremstilles i skala i en væske, som derefter kunne bruges til at påføre dem i volumen til lave omkostninger til forskellige anvendelser.

Fosfor nanobånd blev opdaget på UCL af et tværfagligt team ledet af professor Chris Howard (UCL Fysik &Astronomi). Siden isoleringen af ​​2-dimensionelle phosphorenplader i 2014, havde mere end 100 teoretiske undersøgelser forudsagt nye og spændende egenskaber, der kunne opstå ved at producere smalle bånd af dette materiale.

Flere oplysninger: Feng Fei Zhang et al., Produktion af magnetiske arsen-fosforlegeringer af nanobånd med små båndgab og høj hulledningsevne, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c03230

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af University College London