Revolucionarne trake od jednog atoma za transformaciju baterija i solarnih ćelija

Istraživači na Univerzitetskom koledžu u Londonu razvili su jedan-atom-debele trake sastavljene od fosfora i arsena legura. Ovaj revolucionarni materijal ima potencijal da značajno poboljša performanse različitih uređaja uključujući baterije, superkondenzatore i solarne ćelije.

Istraživači na Univerzitetskom koledžu u Londonu (UCL) razvili su trake od jednog atoma koje se sastoje od fosfora legiranog arsenom. Ova inovacija ima potencijal da značajno poboljša efikasnost različitih uređaja, uključujući baterije, superkondenzatore i solarne ćelije.

Istraživački tim je otkrio fosforne nanotrake 2019. godine. “Čudesni materijal”, za koji se predviđa da će revolucionirati uređaje u rasponu od baterija do biomedicinskih senzora, od tada se koristi za povećanje vijeka trajanja litijum-jonskih baterija i efikasnosti solarnih ćelija.

Međutim, materijali koji sadrže samo fosfor ne provode dobro električnu energiju, ometajući njihovu upotrebu za određene primjene.

Poboljšanja sa arsenom

U novoj studiji, objavljenoj u Journal of the American Chemical Societyistraživači su kreirali nanotrake napravljene od fosfora i male količine arsena, za koje su otkrili da su u stanju da provode struju na temperaturama iznad -140 Czadržavajući izuzetno korisna svojstva traka koje sadrže samo fosfor.

Zasluge: Journal of the American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c03230

Viši autor dr. Adam Clancy (UCL Chemistry) je rekao: „Rani eksperimentalni rad je već pokazao izvanredno obećanje fosfornih nanoribbon, koje je prvi put kreirao naš UCL tim 2019. Godine 2021., na primjer, pokazalo se da dodavanje nanotrake kao sloj za perovskitne solarne ćelije omogućile su ćelijama da iskoriste više energije sa Sunca.

„Naš najnoviji rad na legiranju fosfornih nanoribona sa arsenom otvara dodatne mogućnosti – posebno, poboljšanje skladištenja energije baterija i superkondenzatora, i poboljšanje skoro infracrvenih detektora koji se koriste u medicini.

“Ispostavilo se da su trake arsen-fosfor također magnetne za koje vjerujemo da potiču od atoma duž ruba, što ih čini potencijalno interesantnim i za kvantne kompjutere.

„Šire, studija pokazuje da je legiranje moćan alat za kontrolu svojstava, a time i primjena i potencijala ove rastuće porodice nanomaterijala. Istraživači kažu da bi se ista tehnika mogla koristiti za pravljenje legura koje kombinuju fosfor sa drugim elementima kao što su selen ili germanijum.

Da bi se koristile kao anodni materijal u litijum-jonskim ili natrijum-jonskim baterijama, fosforne nanotrake bi trenutno trebale biti pomešane sa provodljivim materijalom kao što je ugljenik. Dodavanjem arsena, karbonsko punilo više nije potrebno i može se ukloniti, povećavajući količinu energije koju baterija može pohraniti i brzinu kojom se može puniti i prazniti.

U međuvremenu, u solarnim ćelijama, arsensko-fosforne nanotrake mogu dodatno poboljšati protok naboja kroz uređaje, povećavajući efikasnost ćelija.

Proizvodni proces i svojstva

Arsen-fosforne trake koje je kreirao istraživački tim obično su bile visoke nekoliko slojeva, nekoliko mikrometara dugačke i desetine nanometara široke. Napravljeni su mešanjem kristala formiranih od listova fosfora i arsena sa litijumom rastvorenim u tečnom amonijaku na -50 stepeni C. (Nakon 24 sata, amonijak je uklonjen i zamenjen organskim rastvaračem.) Atomska struktura listova označava litijum. joni mogu putovati samo u jednom smjeru, a ne bočno, uzrokujući pucanje koje stvara trake.

Ključna karakteristika nano traka je da imaju i izuzetno visoku “mobilnost rupa”. Rupe su suprotni partneri elektronima u električnom transportu, tako da poboljšanje njihove mobilnosti (mjera brzine kojom se kreću kroz materijal) pomaže da se električna struja kreće efikasnije.

Nanotrake bi se mogle proizvesti u velikoj mjeri u tekućini koja bi se zatim mogla koristiti za njihovu primjenu u volumenu po niskoj cijeni za različite primjene.

Fosforne nanotrake otkrivene su na UCL od strane interdisciplinarnog tima predvođenog profesorom Chrisom Howardom (UCL Physics & Astronomy). Od izolacije 2-dimenzionalnih fosforenskih ploča 2014. godine, više od 100 teorijskih studija je predvidjelo nova i uzbudljiva svojstva koja bi se mogla pojaviti proizvodnjom uskih traka od ovog materijala.

Feng Fei Zhang, Eva Aw, Alexander G. Eaton, Rebecca RC Shutt, Juhwan Lim, Jung Ho Kim, Thomas J. Macdonald, Cesar III DL Kings, Arjun Ashoka, Raj Pandya, Oliver D. Payton, Loren Picco, Caroline E. Knapp, Furio Corà, Akshay Rao, Christopher A. Howard i Adam J. Clancy, 8. avgusta, Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021/jacs.3c03230