Energia elektryczna ze Słońca lub wiatru okresowo dostępna jest w nadmiarze – i powinna być w tym czasie magazynowana. Chociaż konwencjonalne akumulatory mogą przechowywać duże ilości energii, procesy ładowania i rozładowywania są relatywnie długotrwałe. Z kolei inne urządzenia magazynujące, takie jak superkondensatory, ładują się bardzo szybko, ale mogą magazynować mało funkcjonalne ilości energii.
Amerykańscy naukowcy wykorzystali MXenes* do opracowania materiałów, które przechowują tyle energii elektrycznej co baterie i ładują się tak szybko jak kondensatory. Berlińscy naukowcy odkryli, jak można zwiększyć ich pojemność.
Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego MXenu
MXene może przechowywać duże ilości energii elektrycznej i może być bardzo szybko ładowany i rozładowywany. MXenes łączą w ten sposób zalety baterii i superkondensatorów i są uważane za ekscytującą, nową klasę materiałów do magazynowania energii. Poszczególne warstwy MXene oddzielają cienkie warstwy wody. Zespół z Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) wykorzystał źródło promieniowania rentgenowskiego BESSY II do zbadania, w jaki sposób protony migrują w tych filmach (warstwach) wodnych i umożliwiają transport ładunków. Ich wyniki zostały opublikowane w renomowanym czasopiśmie „Nature Communications” i mogą przyspieszyć optymalizację takich materiałów do magazynowania energii.
Uniwersalny pseudokondensator
Od kilku lat istnieje nowa klasa materiałowa zwana pseudokondensatorami, która łączy w sobie zalety baterii z zaletami superkondensatorów. Szczególnie interesujące są tak zwane MXeny, które składają się z dwuwymiarowych węglików i azotków metali przejściowych. Ich struktura przypomina ciasto francuskie, z poszczególnymi warstwami oddzielonymi cienką warstewką wody, która umożliwia transport ładunków. W szczególności MXeny z węglika tytanu są bardzo przewodzące i mają silnie naładowane ujemnie powierzchnie hydrofilowe, do których dodatnio naładowane jony, takie jak protony, mogą skutecznie migrować. MXene do tego badania został wyprodukowany przez grupę kierowaną przez prof. Yury Gogotsi z Drexel University w USA.
Jak działa transport ładunków?
W ostatnich latach udało się już magazynować i uwalniać duże ilości energii protonowej w takich MXenach. Nie było jednak jasne, czy ładunki są magazynowane głównie przez adsorpcję protonów na powierzchni MXene, czy też przez desolwatację protonów w warstwie pośredniej MXene. Oczekiwano, że protony zachowują się inaczej w niezwykle cienkiej warstwie wody, która składa się tylko z 2–3 warstw molekularnych H2O. Do tej pory jednak nie było możliwe scharakteryzowanie protonów MXene podczas ładowania i rozładowywania wewnątrz elektrody.
Badane wzorce wibracji
Zespołowi kierowanemu przez dr. Tristana Petita z HZB udało się po raz pierwszy przeanalizować tryby drgań protonów w źródle promieniowania rentgenowskiego BESSY II, które wcześniej wzbudzili światłem podczerwonym. Doktor habilitowana Mailis Lounasvuori opracowała elektrochemiczne tzw. ogniwo operandowe do analizy procesów wewnątrz węgliku tytanu MXenes podczas ładowania i rozładowywania. W ten sposób udało jej się wydestylować specjalną sygnaturę protonów w wodzie uwięzionej między warstwami MXene. – Te wzorce wibracyjne bardzo różnią się od tego, co zaobserwowalibyśmy dla protonów w trójwymiarowym środowisku wodnym – mówi Mailis Lounasvuori.
Środowisko 2D pomaga
– Cząsteczki wody szczególnie silnie absorbują promieniowanie podczerwone, podczas gdy MXenes emitują bardzo mało światła w tym zakresie promieniowania. Spektroskopia w podczerwieni była zatem idealna dla naszego pytania badawczego – wyjaśnia Petit. Wyniki pokazują, że protony, aby przejść do roztworu, potrzebują znacznie mniej cząsteczek H2O – czyli cienkiej warstwy wody. To może również wyjaśniać, dlaczego MXene można ładować lub rozładowywać tak szybko. – MXenes są zatem wspaniałym systemem modelowym do badania właściwości dwuwymiarowych układów chemicznych. Być może odkryjemy również inne nieznane właściwości – mówi Petit.
Zdjęcie główne: W filmie wodnym (cienkiej warstwie wody) światło podczerwone pobudza protony, które poruszają się między warstwami Ti 3 C 2 -MXene w celu oscylacji. Ich wzorce oscylacji pokazują, że zachowują się inaczej niż w grubszym filmie wodnym. © M. Künsting /HZB.
*MXenes – nowe urządzenia typu super storage. W materiałoznawstwie MXenes to klasa dwuwymiarowych związków nieorganicznych, które składają się z atomowo cienkich warstw węglików, azotków lub węglikoazotków metali przejściowych. Są tak cienkie jak pojedyncza cząsteczka, porównywalna z grafenem. Wiele z tych folii ułożonych jedna na drugiej skutkuje powstaniem urządzenia do magazynowania energii elektrycznej, ale na razie tylko w skali laboratoryjnej. MXenes to wysoce przewodzące materiały o hydrofilowej powierzchni. Podczas gdy superkondensatory przechowują swoją energię w postaci ładunków elektrycznych, MXenes przechowują swoją energię w postaci wiązań chemicznych na swoich powierzchniach.
Oprac: M. Grabania
Źródło: Helmholtz Centre Berlin for Materials and Energy
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
