Новый класс двумерных материалов накапливает электроэнергию
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.
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.
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.
https://econet.ru/articles/novyy-klass-dvumernyh-materialov-nakaplivaet-elektroenergiyu