Новый класс двумерных материалов накапливает электроэнергию

Подобно батарее, MXenes могут накапливать большое количество электрической энергии посредством электрохимических реакций, но, в отличие от батарей, они могут заряжаться и разряжаться в считанные секунды.

В сотрудничестве с Университетом Дрекселя, команда из HZB показала, что интеркаляция молекул мочевины между слоями MXene может увеличить емкость таких «псевдо-конденсаторов» более чем на 50 %. На синхротроне BESSY II они проанализировали, как влияют изменения химического состава поверхности MXene после интеркаляции мочевины.

Псевдоконденсатор MXene

Существуют различные решения для хранения электрической энергии: например, литиевые электрохимические батареи хранят большое количество энергии, но требуют длительного времени зарядки. Суперконденсаторы, с другой стороны, способны поглощать или высвобождать электрическую энергию очень быстро, но накапливают гораздо меньше электрической энергии.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Еще один вариант находится на подходе с 2011 года: в Университете Дрекселя, США, был обнаружен новый класс двумерных материалов, в которых хранится огромное количество энергии. Это так называемые MXenes, нанолисты Ti₃C₂Tx, которые вместе образуют двумерную сеть, подобную графену. Хотя титан (Ti) и углерод (C) являются элементами, Tx описывает различные химические группы, которые уплотняют поверхность, например ОН-группы. MXenes являются высокопроводящими материалами с гидрофильными поверхностями и могут образовывать дисперсии, напоминающие черные чернила, состоящие из сложенных слоистых частиц в воде.

MXene Ti₃C₂Tx  может накапливать столько же энергии, сколько и батареи, но может заряжаться или разряжаться в течение десятков секунд. Хотя такие же быстрые (или более быстрые) суперконденсаторы поглощают свою энергию за счет электростатической адсорбции электрических зарядов, энергия сохраняется в химических связях на поверхности MXenes. Поэтому накопление энергии намного эффективнее.

В сотрудничестве с группой Юрия Гогоци из Университета Дрекселя ученые HZB, доктор Тристан Петит и Амир Аль-Темими, впервые применили мягкую рентгеновскую спектроскопию поглощения для исследования образцов MXene на двух экспериментальных станциях - LiXEdrom и X-PEEM в BESSY III. С помощью этих методов химическая среда поверхностных групп MXene анализировалась на отдельных хлопьях MXene в вакууме, а также непосредственно в водной среде. Они обнаружили существенные различия между первичными MXenes и MXenes, между которыми были интеркалированы молекулы мочевины.

Присутствие молекул мочевины также существенно меняет электрохимические свойства MXenes. Удельная емкость увеличилась до 1100 мФ/см², что на 56 % выше, чем у чистых электродов Ti₃C₂Tx, изготовленных аналогичным образом. Анализ XAS на BESSY II показал, что химический состав поверхности изменяется благодаря присутствию молекул мочевины. «Мы также могли наблюдать состояние окисления атомов Ti на поверхностях MXene Ti₃C₂Tx, используя X-PEEM. Это состояние окисления было выше при наличии мочевины, что может способствовать накоплению большего количества энергии», - говорит Амир аль-Темими, который проводил измерения в рамках своей докторской диссертации. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet