MXene energian varastointiin: Monipuolisempi kuin odotettiin

MXene-materiaalit ovat lupaavia ehdokkaita uudeksi energian varastointiteknologiaksi. Prosesseja, joilla varauksen varastointi tapahtuu, ei kuitenkaan vielä ole täysin ymmärretty.

Helmholtz-Zentrum Berlinin (HZB) tiimi on ensimmäistä kertaa tutkinut yksittäisiä MXene-hiutaleita selvittääkseen näitä prosesseja yksityiskohtaisesti.

Tulokset paljastivat kaksi erillistä redox-reaktiota elektrolyytistä riippuen. Tämä luo pohjan varauksensiirtoprosessien ymmärtämiselle nanoskaalassa ja tarjoaa pohjan tulevalle tutkimukselle, jolla pyritään optimoimaan pseudokapasitiivisia energian varastointilaitteita.

Nykyisillä teknologioilla on hyvät ja huonot puolensa. Esimerkiksi akut vaativat tietyn ajan latautuakseen, mutta ne voivat varastoida valtavia määriä energiaa, kun taas sähköiset kaksikerroksiset kondensaattorit (EDLC) latautuvat nopeasti, mutta voivat absorboida vain rajoitetun määrän energiaa.

Niin kutsutut pseudokondensaattorit voisivat yhdistää suuren varastointikapasiteetin nopeuteen, käyttäen kemiallisiin muutoksiin perustuvan varauksensiirtoprosessia ilman materiaalin faasin muutosta. Tähän mennessä tätä teknologiaa ei ole vielä toteutettu lupaavien materiaalien puutteen vuoksi.

Tämä saattaa muuttua MXene-materiaalien avulla. MXeenit ovat kaksiulotteisia materiaaleja, joilla on kerrosrakenne, kuten titaanikarbidi, joka muodostaa johtavan ytimen ja erittäin reaktiivisen pinnan. Kerrosten välinen etäisyys on muutaman nanometrin luokkaa.

Vesipitoisten elektrolyyttien kautta protonit ja Li-ionit voivat interkaloitua MXene-kerrosten väliin ja toimia varauksenkuljettajina. Varauksenkuljettajat sitoutuvat titaaniatomien pintapäätteisiin redox-reaktioiden kautta.

Toinen etu: Vesipitoiset elektrolyytit ovat yleensä paljon ympäristöystävällisempiä kuin akuissa käytettävät orgaaniset elektrolyytit.

Tähän asti MXeeniä on tutkittu pääasiassa suuremmissa näytteissä, jotka koostuvat tuhansista pinotuista hiutaleista.

Tri Tristan Petit on nyt kokeellisesti selvittänyt ensimmäistä kertaa pehmeän röntgenmikroskopian avulla, mitä yksittäisen hiutaleen tasolla tapahtuu ionien varastoinnin aikana, saadakseen tietoa kemiallisista muutoksista hiutaletason alta.

BESSY II:n in situ -röntgenmikroskoopin avulla tutkijat onnistuivat kuvaamaan paikallisia kemiallisia muutoksia yksittäisissä Ti₃C₂T x MXene -hiutaleissa eri ionien spontaanin ja sähkökemiallisen interkalaation aikana.

”Havaitsimme merkittäviä eroja kemiallisessa käyttäytymisessä riippuen siitä, sisälsikö elektrolyytti protonia vai litiumioneja”, sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Namrata Sharma. Protonit vähentävät titaaniatomien hapetusastetta, kun taas litiumionien interkalaatio lisää titaaniatomien hapetusastetta.

”Tämä haastaa yleisen käsityksen MXeeneistä sähköisinä kaksikerroksisina kondensaattoreina (EDLC) neutraaleissa vesielektrolyyteissä. Ne ovat monimutkaisempia ja siksi mielenkiintoisempia, koska voimme käyttää näitä oivalluksia MXeenien kehittämiseen uusiin energian varastointisovelluksiin, kuten pseudokondensaattoreihin”, Petit sanoo. 

Aiheesta aiemmin:

Monikäyttöinen kaksiulotteinen

Kondensaattoreita tulostamalla

Kävisikö pii sittenkin akkuanodiksi