Ny materialteknisk forskning ledd av Western kan leda till betydande verkliga fördelar som större räckvidd för elfordon och längre batteritid för mobiltelefoner.

Forskare från Western Engineering, Westerns avdelning för kemi och Soochow University-Western University Center for Synchrotron Radiation Research samarbetade med Canadian Light Source (CLS) vid University of Saskatchewan i ett par studier för att avgöra om de kunde utnyttja fosforens kraft samtidigt som de mildrade dess två huvudsakliga avskräckande egenskaper. —kostnad och hållbarhet — och de har gjort det.

Den teoretiska kapaciteten hos fosforen - ett tvådimensionellt material, som består av ett enda lager svart fosfor — är nästan sju gånger så mycket som anodmaterial som för närvarande används i litiumjonbatterier. För närvarande, kommersiellt tillgänglig svart fosfor är dyrt, till ungefär $1, 000 per gram och den bryts dessutom ner snabbt när den utsätts för luft.

I den första tidningen, forskargruppen tillämpade en ny process för att producera en billig svart fosfor från billig (ungefär 0,10 USD/gram), röd fosfor med låg renhet – vilket minskar kostnaden med nästan 300 procent. Den resulterande svarta fosforn hade nästan samma renhet och elektroniska egenskaper som den som gjordes med traditionella metoder och röd fosfor med hög renhet, vilket är värt runt $40/gram.

Att drastiskt sänker kostnaderna för att tillverka svart fosfor innebär att deras resultat är skalbara, enligt ledande forskare Weihan Li från Western.

"Det låga priset gör det möjligt att realisera den framtida storskaliga tillämpningen av svart fosfor och fosforen inom energi- och elektronikrelaterade områden, såsom nanofotonik, nanoelektronik, optoelektronik, sekundära batterier, och elektrokatalysatorer, sa Li, en postdoktor gemensamt handled av kemiprofessor T.K. Bluff, Kanada forskningsprofessor i material och synkrotronstrålning och ingenjörsprofessor Xueliang (Andy) Sun, Kanada forskarstol i utveckling av nanomaterial för ren energi.

Med den andra studien, forskarna ville bättre förstå, i nanoskala och i realtid, där nedbrytning (oxidation) börjar på fosforen, och hur det sprider sig. Medan tidigare forskning har dokumenterat att nedbrytning verkligen förekommer, denna studie var den första som tydligt avbildade processen i detalj. Teamet använde ett antal olika synkrotrontekniker vid CLS för att samla in dessa bilder. Forskarna fann att fosforen börjar brytas ner i de tunnaste områdena först, och att de försämrade regionerna påskyndar nedbrytningen av angränsande regioner.

Enligt Li, deras upptäckt banar väg för att utveckla strategier för att skydda fosforen när det används i elektronik och andra enheter.

"Det gör det möjligt att förbereda luftstabila fosforenbaserade elektroniska enheter och energirelaterade enheter, " sa Li.

Sun krediterar CLS för att ha spelat en avgörande roll i båda studierna.

"Jämfört med andra resurser i världen, användarstödet från CLS är fantastiskt, " sa Sun. "Utan hjälp från CLS, vi kunde inte ha kombinerat flera olika synkrotrontekniker i de två verken. Dessutom, att genomföra in situ-studierna skulle inte ha varit möjligt utan hjälp av strållinjeforskarna."