Исследовательская группа ORNL, занимающаяся реакциями, структурами и переносом жидкостей (FIRST), используя сканирующую зондовую микроскопию, доступную через пользовательскую программу Центра нанофазных материаловедения (CNMS), впервые наблюдала на наноуровне и в жидкой среде, как движутся ионы. и диффундируют между слоями двумерного электрода во время электрохимического цикла. Эта миграция имеет решающее значение для понимания того, как энергия хранится в материале, называемом MXene, и что определяет его исключительные свойства аккумулирования энергии.«Мы разработали методику для жидких сред, которая позволяет нам отслеживать, как ионы проникают в межслоевые пространства.
Очень мало информации о том, как это происходит на самом деле», — сказала Нина Балке, одна из группы исследователей, работающих с Юрием Гогоци из Университета Дрекселя. Центр FIRST, Научно-исследовательский центр энергетики Министерства энергетики США.«Свойства аккумулирования энергии были охарактеризованы в микроскопическом масштабе, но никто не знает, что происходит в активном материале в наномасштабе с точки зрения внедрения ионов и как это влияет на напряжения и деформации в материале», — сказал Балке.Так называемый материал MXene, который действует как двумерный электрод, который можно изготавливать с гибкостью листа бумаги, основан на керамике MAX-фазы, которая изучалась десятилетиями.
После химического удаления слоя «А» образуются двумерные хлопья, состоящие из слоев переходного металла — «М» — слоев углерода или азота («Х») в образующемся MXene, который физически напоминает графит.Эти MXenes, которые продемонстрировали очень высокую емкость или способность накапливать электрический заряд, только недавно были исследованы в качестве носителя энергии для усовершенствованных аккумуляторов.«Взаимодействие и перенос заряда иона и слоев MXene очень важны для его работы в качестве среды для хранения энергии.
Процессы адсорбции приводят к интересным явлениям, которые управляют механизмами, которые мы наблюдали с помощью сканирующей зондовой микроскопии», — сказал исследователь FIRST Джереми Коме.Исследователи изучили, как ионы попадают в материал, как они перемещаются внутри материалов и как они взаимодействуют с активным материалом. Например, если положительно заряженные катионы вводятся в отрицательно заряженный материал MXene, материал сжимается, становясь более жестким.Это наблюдение заложило основу для определения характеристик наноразмеров на основе сканирующей зондовой микроскопии.
Исследователи измерили локальные изменения жесткости при попадании ионов в материал. Существует прямая корреляция с картиной диффузии ионов и жесткостью материала.
Пришел заметил, что ионы вводятся в электрод в растворе.«Следовательно, нам необходимо работать в жидкой среде, чтобы управлять ионами в материале MXene. Затем мы можем измерять механические свойства на месте на разных этапах накопления заряда, что дает нам прямое представление о том, где хранятся ионы», — сказал он. сказал.
До этого исследования методика не применялась в жидкой среде.Процессы, лежащие в основе внедрения ионов и ионные взаимодействия в материале электрода, были недоступны на наномасштабе до тех пор, пока группа сканирующей зондовой микроскопии CNMS не провела исследования. Эксперименты подчеркивают необходимость анализа на месте, чтобы понять упругие изменения на наномасштабе в 2D-материале как в сухой, так и в влажной среде, а также влияние накопления ионов на материал накопителя энергии с течением времени.
Следующие шаги исследователей — улучшить пути диффузии ионов в материале и изучить различные материалы из семейства MXene. В конечном итоге команда надеется понять фундаментальный механизм и механические свойства процесса, что позволит настроить накопление энергии, а также улучшить характеристики и срок службы материала.Исследовательская группа ORNL FIRST также предоставила дополнительные расчеты и моделирование, основанные на теории функционала плотности, которые подтверждают экспериментальные результаты.
Работа была недавно опубликована в журнале Advanced Energy Materials.