El secreto para hacer los mejores materiales de almacenamiento de energía es cultivarlos con la mayor superficie posible. Al igual que hornear, requiere la mezcla adecuada de ingredientes preparados en una cantidad específica y ordenar a la temperatura adecuada para producir una lámina delgadade material con la consistencia química perfecta para ser útil para almacenar energía Un equipo de investigadores de la Universidad de Drexel, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong HUST y la Universidad de Tsinghua descubrieron recientemente una forma de mejorar la receta y hacer que los materiales resultantes sean más grandes y mejoresy absorber energía: ¿el secreto? Simplemente agregue sal.
Los hallazgos del equipo, que se publicaron recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza , demuestre que el uso de cristales de sal como plantilla para hacer crecer láminas delgadas de óxidos metálicos conductores hace que los materiales se vuelvan más grandes y químicamente puros, lo que los hace más adecuados para recolectar iones y almacenar energía.
"El desafío de producir un óxido metálico que alcance valores de rendimiento teóricos es que los métodos para hacerlo limitan inherentemente su tamaño y a menudo dañan su pureza química, lo que hace que no alcance el rendimiento de almacenamiento de energía previsto", dijo Jun Zhou, unprofesor en el Laboratorio Nacional de Optoelectrónica Wuhan de HUST y autor de la investigación. Nuestra investigación revela una forma de producir láminas de óxido estables con menos incrustaciones que son del orden de varios cientos de veces más grandes que las que se fabrican actualmente ".
En un dispositivo de almacenamiento de energía, una batería o un condensador, por ejemplo, la energía está contenida en la transferencia química de iones de una solución electrolítica a capas delgadas de materiales conductores. A medida que estos dispositivos evolucionan, se vuelven más pequeños y capacesde mantener una carga eléctrica por períodos de tiempo más largos sin necesidad de una recarga. La razón de su mejora es que los investigadores están fabricando materiales que están mejor equipados, estructural y químicamente, para recolectar y desembolsar iones.
En teoría, los mejores materiales para el trabajo deberían ser láminas delgadas de óxidos metálicos, debido a que su estructura química y su gran área superficial facilitan la unión de los iones, que es cómo se produce el almacenamiento de energía. Pero las láminas de óxido de metal que tienenhan sido fabricados en laboratorios hasta el momento no han alcanzado sus capacidades teóricas.
De acuerdo con Zhou, Tang y el equipo de HUST, el problema radica en el proceso de fabricación de las nanopartículas, que implican una deposición del gas o un grabado químico, a menudo dejan rastros de residuos químicos que contaminan el material y evitan los ionesde adherirse a él. Además, los materiales hechos de esta manera a menudo son de unos pocos micrómetros cuadrados.
El uso de cristales de sal como sustrato para el crecimiento de los cristales les permite extenderse y formar una lámina más grande de material de óxido. Piense en ello como hacer un gofre goteando la masa en una sartén en lugar de verterlo en un gran gofre; la clave paraobtener un producto grande y resistente es obtener la solución, ya sea masa o compuesto químico, para distribuirse uniformemente sobre la plantilla y estabilizarse de manera uniforme.
"Este método de síntesis, llamado 'plantilla' - donde usamos un material de sacrificio como sustrato para hacer crecer un cristal - se usa para crear una determinada forma o estructura", dijo Yury Gogotsi, PhD, presidente de la Universidad y del Fideicomisarioprofesor en la Facultad de Ingeniería de Drexel y director del Instituto de Nanomateriales AJ Drexel, quien fue autor del artículo. "El truco en este trabajo es que la estructura cristalina de la sal debe coincidir con la estructura cristalina del óxido, de lo contrario formará unpelícula de óxido amorfa en lugar de una cosa, nanocristales fuertes y estables. Este es el hallazgo clave de nuestra investigación: significa que se deben usar diferentes sales para producir diferentes óxidos ".
Los investigadores han utilizado una variedad de productos químicos, compuestos, polímeros y objetos como plantillas de crecimiento para nanomateriales. Pero este descubrimiento muestra la importancia de hacer coincidir una plantilla con la estructura del material que se cultiva. Los cristales de sal resultan ser el sustrato perfecto paraCultivo de láminas de óxido de magnesio, molibdeno y tungsteno.
La solución precursora recubre los lados de los cristales de sal a medida que los óxidos comienzan a formarse. Después de que se han solidificado, la sal se disuelve en un lavado, dejando láminas bidimensionales delgadas nanométricas que se formaron en los lados del cristal de sal- y un pequeño rastro de cualquier contaminante que pueda dificultar su rendimiento de almacenamiento de energía. Al hacer nanoesferas de óxido de esta manera, los únicos factores que limitan su crecimiento es el tamaño del cristal de sal y la cantidad de solución precursora utilizada.
"El crecimiento lateral de los óxidos 2D fue guiado por la geometría de los cristales de sal y promovido por la coincidencia de la red y el grosor fue restringido por el suministro de materia prima. Las dimensiones de los cristales de sal son decenas de micrómetros y guían el crecimiento del óxido 2D aun tamaño similar ", escriben los investigadores en el documento." Sobre la base de las estructuras cristalinas naturales sin capas de estos óxidos, la idoneidad de la plantilla asistida por sal como método general para la síntesis de óxidos 2D se ha demostrado de manera convincente ".
Como se predijo, el mayor tamaño de las láminas de óxido también equivalía a una mayor capacidad para recolectar y desechar iones de una solución electrolítica, la prueba definitiva para su potencial para ser utilizado en dispositivos de almacenamiento de energía. Los resultados reportados en el documento sugieren queEl uso de estos materiales puede ayudar a crear una batería de iones de aluminio que podría almacenar más carga que las mejores baterías de iones de litio que se encuentran en las computadoras portátiles y los dispositivos móviles de la actualidad.
Gogotsi, junto con sus estudiantes en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ha estado colaborando con la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong desde 2012 para explorar una amplia variedad de materiales para la aplicación de almacenamiento de energía. El autor principal de la Comunicaciones de la naturaleza artículo, Xu Xiao, y el coautor Tiangi Li, ambos estudiantes de doctorado de Zhou, vinieron a Drexel como estudiantes de intercambio para aprender sobre la investigación del supercondensador de la Universidad. Esas visitas comenzaron una colaboración, que fue apoyada por los viajes anuales de Gogotsi a HUST.la asociación ya ha producido cinco publicaciones conjuntas, Gogotsi especula que este trabajo solo está comenzando.
"El resultado más significativo de este trabajo hasta ahora es que hemos demostrado la capacidad de generar óxidos 2D de alta calidad con varias composiciones", dijo Gogotsi. "Ciertamente puedo ver expandir este enfoque a otros óxidos que pueden ofrecer atractivospropiedades para almacenamiento de energía eléctrica, membranas de desalinización de agua, fotocatálisis y otras aplicaciones "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Drexel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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