Il segreto per produrre i migliori materiali per l'accumulo di energia è coltivarli con la maggiore superficie possibile. come cuocere al forno, richiede solo la giusta miscela di ingredienti preparati in una quantità specifica e ordinati alla giusta temperatura per produrre un sottile foglio di materiale con la perfetta consistenza chimica per essere utile per immagazzinare energia. Un team di ricercatori della Drexel University, La Huazhong University of Science and Technology (HUST) e la Tsinghua University hanno recentemente scoperto un modo per migliorare la ricetta e rendere i materiali risultanti più grandi e migliori e assorbire energia:il segreto? Basta aggiungere sale.
I risultati della squadra, che sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura , mostrano che l'uso di cristalli di sale come modello per far crescere sottili fogli di ossidi metallici conduttivi rende i materiali più grandi e chimicamente più puri, il che li rende più adatti per raccogliere ioni e immagazzinare energia.
"La sfida di produrre un ossido di metallo che raggiunga valori di prestazione teorici è che i metodi per produrlo ne limitano intrinsecamente le dimensioni e spesso ne intaccano la purezza chimica, che lo rende al di sotto delle prestazioni di stoccaggio dell'energia previste, " ha detto Jun Zhou, un professore al Wuhan National Laboratory for Optoelectronics di HUST e autore della ricerca. La nostra ricerca rivela un modo per coltivare fogli di ossido stabili con meno incrostazioni che sono dell'ordine di diverse centinaia di volte più grandi di quelli che vengono attualmente fabbricati".
In un dispositivo di accumulo di energia, una batteria o un condensatore, per esempio, l'energia è contenuta nel trasferimento chimico di ioni da una soluzione elettrolitica a strati sottili di materiali conduttivi. Man mano che questi dispositivi si evolvono, diventano sempre più piccoli e in grado di trattenere una carica elettrica per periodi di tempo più lunghi senza bisogno di ricarica. La ragione del loro miglioramento è che i ricercatori stanno fabbricando materiali meglio equipaggiati, strutturalmente e chimicamente, per la raccolta e l'erogazione di ioni.
In teoria, i migliori materiali per il lavoro dovrebbero essere fogli sottili di ossidi metallici, perché la loro struttura chimica e l'elevata superficie facilitano l'adesione degli ioni, ed è così che avviene l'accumulo di energia. Ma i fogli di ossido di metallo che sono stati fabbricati finora nei laboratori sono ben al di sotto delle loro capacità teoriche.
Secondo Zhou, Tang e il team di HUST, il problema risiede nel processo di creazione dei nanofogli, che comporta una deposizione da gas o un attacco chimico, spesso lascia tracce di residui chimici che contaminano il materiale e impediscono agli ioni di legarsi ad esso. Inoltre, i materiali realizzati in questo modo sono spesso di pochi micrometri quadrati.
L'uso dei cristalli di sale come substrato per la crescita dei cristalli consente loro di diffondersi e formare un foglio più grande di materiale ossido. Pensalo come fare un waffle facendo gocciolare la pastella in una padella anziché versarlo in una grande piastra per cialde; la chiave per ottenere un grande, un prodotto robusto sta ottenendo la soluzione, che si tratti di pastella, o composto chimico, da spalmare uniformemente sulla sagoma e stabilizzarsi in modo uniforme.
"Questo metodo di sintesi, chiamato "templare" - dove usiamo un materiale sacrificale come substrato per far crescere un cristallo - viene usato per creare una certa forma o struttura, " ha detto Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Professore universitario e cattedratico presso il Drexel's College of Engineering e capo dell'A.J. Istituto di nanomateriali Drexel, che era un autore del documento. "Il trucco in questo lavoro è che la struttura cristallina del sale deve corrispondere alla struttura cristallina dell'ossido, altrimenti formerà un film amorfo di ossido piuttosto che una cosa, nanocristallo forte e stabile. Questa è la scoperta chiave della nostra ricerca:significa che devono essere usati sali diversi per produrre ossidi diversi".
I ricercatori hanno utilizzato una varietà di sostanze chimiche, composti, polimeri e oggetti come modelli di crescita per i nanomateriali. Ma questa scoperta mostra l'importanza di far corrispondere un modello alla struttura del materiale da coltivare. I cristalli di sale risultano essere il substrato perfetto per la coltivazione di fogli di ossido di magnesio, molibdeno e tungsteno.
La soluzione precursore ricopre i lati dei cristalli di sale quando gli ossidi iniziano a formarsi. Dopo che si sono solidificati, il sale viene sciolto in un lavaggio, lasciando fogli bidimensionali sottili nanometri che si sono formati sui lati del cristallo di sale e poche tracce di eventuali contaminanti che potrebbero ostacolare le loro prestazioni di accumulo di energia. Realizzando nanofogli di ossido in questo modo, gli unici fattori che ne limitano la crescita sono la dimensione del cristallo di sale e la quantità di soluzione precursore utilizzata.
"La crescita laterale degli ossidi 2D è stata guidata dalla geometria dei cristalli di sale e promossa dalla corrispondenza del reticolo e lo spessore è stato limitato dall'approvvigionamento di materie prime. Le dimensioni dei cristalli di sale sono decine di micrometri e guidano la crescita dell'ossido 2D a un livello simile dimensione, " scrivono i ricercatori nel documento. " Sulla base delle strutture cristalline naturalmente non stratificate di questi ossidi, l'idoneità della modellazione assistita dal sale come metodo generale per la sintesi di ossidi 2D è stata dimostrata in modo convincente."
Come previsto, la maggiore dimensione dei fogli di ossido equivaleva anche a una maggiore capacità di raccogliere ed erogare ioni da una soluzione elettrolitica, il test definitivo per il suo potenziale da utilizzare nei dispositivi di accumulo di energia. I risultati riportati nel documento suggeriscono che l'uso di questi materiali può aiutare a creare una batteria agli ioni di alluminio in grado di immagazzinare più carica rispetto alle migliori batterie agli ioni di litio che si trovano oggi nei laptop e nei dispositivi mobili.
Gogotsi, insieme ai suoi studenti del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, collabora con la Huazhong University of Science and Technology dal 2012 per esplorare un'ampia varietà di materiali per applicazioni di accumulo di energia. L'autore principale di Comunicazioni sulla natura articolo, Xu Xiao, e co-autore Tiangi Li, entrambi i dottorandi di Zhou, è venuto a Drexel come studenti di scambio per conoscere la ricerca sui supercondensatori dell'Università. Quelle visite hanno iniziato una collaborazione, che è stato supportato dai viaggi annuali di Gogotsi a HUST. Sebbene la partnership abbia già prodotto cinque pubblicazioni congiunte, Gogotsi ipotizza che questo lavoro sia solo all'inizio.
"Il risultato più significativo di questo lavoro finora è che abbiamo dimostrato la capacità di generare ossidi 2D di alta qualità con varie composizioni, " Ha detto Gogotsi. "Posso certamente vedere espandere questo approccio ad altri ossidi che possono offrire proprietà interessanti per lo stoccaggio di energia elettrica, membrane di desalinizzazione dell'acqua, fotocatalisi e altre applicazioni."
