MXener är 2D-material som bildar flerskiktade partiklar (vänster) från vilka pseudokondensatorer tillverkas. Lysande röntgenljus på MXener avslöjade förändringar av deras kemiska struktur vid interkalering av ureamolekyler (till höger) jämfört med orörda MXener (i mitten). Upphovsman:HZB/Martin Künsting
Som ett batteri, MXenes kan lagra stora mängder elektrisk energi genom elektrokemiska reaktioner - men till skillnad från batterier, kan laddas och laddas ur på några sekunder. I samarbete med Drexel University, ett team vid HZB visade att interkalering av karbamidmolekyler mellan MXene-lager kan öka kapaciteten hos sådana "pseudokondensatorer" med mer än 50 procent. På BESSY II har de analyserat hur förändringar av MXene ytkemi efter ureainterkalering är ansvariga för detta.
Det finns olika lösningar för lagring av elektrisk energi:Litiumbaserade elektrokemiska batterier, till exempel, lagra stora mängder energi, men kräver lång laddningstid. Superkondensatorer, å andra sidan, kan absorbera eller släppa ut elektrisk energi extremt snabbt - men lagra mycket mindre elektrisk energi.
Pseudokondensator MXene
Ytterligare ett alternativ är på gång sedan 2011:En ny klass av 2-D-material som lagrar enorma mängder laddning upptäcktes vid Drexel University, i USA. Dessa är så kallade MXener, Ti 3 C 2 Tx nanosheets som tillsammans bildar ett tvådimensionellt nätverk, liknande grafen. Medan titan (Ti) och kol (C) är element, Tx beskriver olika kemiska grupper som tätar ytan, till exempel OH-grupper. MXener är mycket ledande material med hydrofila ytor och kan bilda dispersioner som liknar svart bläck, består av staplade skiktade partiklar i vatten.
Ti 3 C 2 Tx MXene kan lagra lika mycket energi som batterier, men kan laddas eller laddas ur inom tiotals sekunder. Även om snabba (eller snabbare) superkondensatorer absorberar sin energi genom elektrostatisk adsorption av elektriska laddningar, energin lagras i kemiska bindningar på ytan av MXenes. Energilagring är därför mycket effektivare.
Ny inblick i kemi med mjuka röntgenmetoder
I samarbete med Yuri Gogotsis grupp vid Drexel University, HZB-forskarna Dr Tristan Petit och Ameer Al-Temimy har nu för första gången använt mjuk röntgenabsorptionsspektroskopi för att undersöka MXene-prover vid två experimentstationer-LiXEdrom och X-PEEM på BESSY II. Med dessa metoder, den kemiska miljön för MXene -ytgrupper analyserades över enskilda MXene -flingor i vakuum men också direkt i vattenmiljö. De fann dramatiska skillnader mellan orörda MXener och MXener mellan vilka ureamolekyler interkalerades.
Urea ökar kapaciteten
Förekomsten av karbamidmolekyler förändrar också signifikant de elektrokemiska egenskaperna hos MXener. Ytkapaciteten ökade till 1100 mF/cm
2
, vilket är 56 procent högre än pristineTi 3 C 2 Tx -elektroder förberedda på samma sätt. XAS -analyserna vid BESSY II visade att ytkemi förändras av närvaron av ureamolekylerna. "Vi kunde också observera oxidationstillståndet för Ti -atomerna på Ti 3 C 2 Tx MXene ytor med hjälp av X-PEEM. Detta oxidationstillstånd var högre med närvaron av urea som kan underlätta lagring av mer energi, "säger Ameer Al-Temimy, som utförde mätningarna som en del av sin doktorsexamen.
