Schnell und stark: Neue 2D-Materialien mit Talent zur Energiespeicherung
© Martin Künsting/HZB
Um elektrische Energie zu speichern, gibt es unterschiedliche Lösungen: Elektrochemische Batterien auf Lithium-Basis speichern große Energiemengen, benötigen aber lange Ladezeiten. Superkondensatoren hingegen können elektrische Energie extrem schnell aufnehmen oder abgeben - speichern aber wesentlich weniger elektrische Energie.
Pseudokondensatoren aus MXene
Eine weitere Option ist seit 2011 in Sicht: An der Drexel University, USA, wurde eine neue Klasse von 2D-Materialien entdeckt, die enorme Ladungsmengen speichern können. Es handelt sich um so genannte MXene, Nanoblätter aus Ti3C2Tx -Molekülen, die ähnlich wie Graphen ein zweidimensionales Netzwerk bilden. Während Titan (Ti) und Kohlenstoff (C) Elemente sind, bezeichnet Tx verschiedene chemische Gruppen, die die Oberfläche versiegeln, zum Beispiel OH-Gruppen. MXene sind hochleitfähige Materialien mit hydrophiler Oberfläche. In Wasser bilden sie Dispersionen, die an schwarze Tinte erinnern.
Ti3C2Tx kann so viel Energie speichern wie eine Batterie, kann aber innerhalb von Zehntelsekunden geladen oder entladen werden. Während ähnlich schnelle (oder schnellere) Superkondensatoren ihre Energie durch elektrostatische Adsorption von elektrischen Ladungen absorbieren, wird die Energie in MXenen in chemischen Bindungen an ihren Oberflächen gespeichert. Diese Art der Energiespeicherung ist viel effizienter.
Weiches Röntgenlicht zeigt, was passiert
In Zusammenarbeit mit der Gruppe um Yuri Gogotsi an der Drexel-Universität haben die HZB-Wissenschaftler Dr. Tristan Petit und Ameer Al-Temimy nun erstmals weiche Röntgenabsorptionsspektroskopie an BESSY II genutzt, um MXene-Proben an den Experimentierstationen LiXEdrom und X-PEEM zu untersuchen. Sie konnten die chemische Umgebung von MXene-Oberflächengruppen im Vakuum, aber auch direkt in Wasserumgebung analysieren. Sie untersuchten Proben aus reinen MXenen und aus MXenen mit eingelagerten Harnstoffmolekülen und fanden dramatische Unterschiede.
Harnstoff erhöht die Kapazität
Das Vorhandensein von Harnstoffmolekülen verändert die elektrochemischen Eigenschaften von MXenen signifikant. Die Flächenkapazität erhöhte sich auf 1100 mF/cm2, was 56 Prozent höher ist als bei ähnlich präparierten reinen Ti3C2Tx -Elektroden.
Die XAS-Analysen bei BESSY II zeigten, dass sich die Oberflächenchemie durch die Anwesenheit der Harnstoffmoleküle verändert. "Am X-PEEM konnten wir auch den Oxidationszustand der Ti-Atome auf den Ti3C2Tx -Oberflächen beobachten. Dieser Oxidationszustand erhöhte sich durch die Anwesenheit von Harnstoff, was die Speicherung von mehr Energie erleichtern könnte", sagt Ameer Al-Temimy, der die Messungen im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte.
Originalveröffentlichung
Ameer Al-Temimy, Babak Anasori, Katherine A. Mazzio, Florian Kronast, Mykola Seredych, Narendra Kurra, Mohamad-Assaad Mawass, Simone Raoux, Yury Gogotsi, and Tristan Petit; "Enhancement of Ti3C2 MXene Pseudocapacitance After Urea Intercalation Studied by Soft X-ray Absorption Spectroscopy"; J. Phys. Chem. C; 2020
Meistgelesene News
Originalveröffentlichung
Ameer Al-Temimy, Babak Anasori, Katherine A. Mazzio, Florian Kronast, Mykola Seredych, Narendra Kurra, Mohamad-Assaad Mawass, Simone Raoux, Yury Gogotsi, and Tristan Petit; "Enhancement of Ti3C2 MXene Pseudocapacitance After Urea Intercalation Studied by Soft X-ray Absorption Spectroscopy"; J. Phys. Chem. C; 2020
Organisationen
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Holen Sie sich die Chemie-Branche in Ihren Posteingang
Ab sofort nichts mehr verpassen: Unser Newsletter für die chemische Industrie, Analytik, Labor und Prozess bringt Sie jeden Dienstag und Donnerstag auf den neuesten Stand. Aktuelle Branchen-News, Produkt-Highlights und Innovationen - kompakt und verständlich in Ihrem Posteingang. Von uns recherchiert, damit Sie es nicht tun müssen.