Översikt över olika metoder för att framställa niob- och tantalpolyoxometalatjoner och när de rapporterades. Kredit:Anpassad från Rambaran et al.
Molekyler av det sällsynta metalliska grundämnet niob kan användas som molekylära byggstenar för att designa elektrokemiska energilagringsmaterial. Mark Rambaran, Institutionen för kemi vid Umeå universitet, presenterar i sin avhandling en metod för att framställa fasta material ur vattenlösningar innehållande niobmolekyler i nanostorlek, kallade polyoxoniobater.
"Dessa polyoxoniobater är vattenlösliga och kan syntetiseras i stora volymer. De fungerar som molekylära byggstenar, på samma sätt som när ett barn staplar legoklossar", säger Mark Rambaran. "De kan användas för att tillverka ett brett utbud av material, inklusive superkondensatorer som underlättar litiumjonlagring."
Syntes av polyoxoniobater kan göras med mikrovågsstrålning, eftersom det är ett snabbt och effektivt alternativ till konventionella hydrotermiska metoder, visar Mark Rambaran i sin avhandling.
"De kan tillverkas på 15 minuter med mikrovågsstrålning, vilket är mycket kortare än de 18 timmar som behövs i tidigare hydrotermiska metoder", säger han.
De nanometerstora molekylerna kan lösas i vatten och spinnbeläggas för att avsätta tunna filmer av niobpentoxid. När dessa filmer värms upp till temperaturer från 200 till 1200°C erhålls ytor med varierande korrosionsbeständighet och elektrokemiska egenskaper.
Vid högre temperaturer blir filmerna kristallina och resistenta mot mycket grundläggande förhållanden – och de är alltid resistenta mot syror. Detta tillvägagångssätt underlättar avsättning av alkalifria tunna metalloxidfilmer med varierande kristallinitet, tjocklek och grovhet.
"Denna förmåga att skapa tunna filmer av niobpentoxid gör det enkelt att testa pseudokapacitiva egenskaper, till exempel, vilket hjälper till att utveckla elektrokemiska energilagringsenheter, såsom superkondensatorer", säger Mark Rambaran.
På grund av arrangemanget av atomerna i den kristallina niobpentoxiden skapar den kanaler som lätt kan ta emot lagring och frigöring av litiumjoner i mer än hundra tusen cykler. Det är detta som gör den till en superkondensator, och den erbjuder elektrokemisk energilagring som potentiellt kan ersätta ett typiskt litiumjonbatteri.
Litiumjonbatterier tenderar att ha begränsad laddningslagringskapacitet och långa laddnings- eller urladdningstider på 10 minuter eller mer, medan superkondensatorer uppvisar laddningstider så låga som 10 sekunder. Förmågan att snabbt ladda och ladda ur, gör att superkondensatorer kan ge energi mycket snabbt och effektivt. Dessutom erbjuder användningen av vattenlösliga polyoxoniobater en enkel och godartad metod för att skapa tunna filmer av metalloxid, vilket förhindrar användningen av skadliga utgångsmaterial som niobpentaklorid eller niobpentafluorid.
"Intresset för att utveckla nya material för energilagring styrs av nödvändigheten av att mildra klimatförändringarna - det största och mest akuta hotet mot mänskligheten och biosfären. För att göra detta krävs förbättringar i tillverkningen av sol-/bränsleceller och batterier för att förbättra deras elektrokemiska energilagringsförmåga, samtidigt som de förblir miljövänliga, säger Mark Rambaran.
Forskning inriktad på att utveckla elektrokemiska energilagringsenheter eller material som överstiger den nuvarande kapaciteten hos litiumjonbatterier är därför avgörande. Superkondensatorer anses vara lämpliga kandidater för att konkurrera med, om inte ersätta, litiumjonbatterier när det gäller elektrokemisk energilagring. Nuvarande tillämpningar av superkondensatorer inkluderar användningar i elfordon, hybridelfordon, spårvagnar, tåg, hemelektronik och många fler. + Utforska vidare
