用于儲存能量的新型“三明治”原子層材料
2015年08月24日 15:51 4619次瀏覽 來源： 中國有色網 分類： 新材料前沿
研究人員發(fā)明了一種方法，將不同元素層插入到那些均一的、可預測性能的穩(wěn)定材料之中，現(xiàn)在正在測試一系列可以大大擴展的新組合，制備更快、更小、更高效儲能、耐磨損材料。
科學家們測試的自然的極限、，甚至是化學存在的極限，只是建立在元素周期表上的某些新的性質。德雷塞爾大學研究人員發(fā)明了一種方法，將不同元素層插入到那些均一的、可預測性能的穩(wěn)定材料之中，現(xiàn)在正在測試一系列可以大大擴展的新組合，制備更快、更小、更高效儲能、耐磨損材料。
由德雷塞爾大學材料科學與工程系BabakAnasori博士后領導的團隊開發(fā)了一種材料制備方法，可以將那些無法以穩(wěn)定方式結合的元素組裝成夾心2-D片層。他們采用鉬、鈦合碳構建了2個全新的層狀二維材料，證明了這種方法的可行性。
“將一至二層原子層的過渡金屬（如鈦）夾在另一種金屬（如鉬）的單原子層之間，用碳原子將它們牢牢結合在一起，制成穩(wěn)定的材料。”Anasori說，“一旦這種結構中有三到四層鉬，就不可能制成2-D材料，但由于我們添加了額外的鈦作為連接，就可以合成2-D材料了。”
該發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表于《ACS Nano》期刊上，代表了一種將元素材料結合成儲能技術（如電池、電容器和超級電容器、以及手機和盔甲上用的超強復合材料）原材料的新方法。原子級層的每一個新組合都代表著新的性能，研究人員認為一種或者更多種這樣的新材料將具有與尺寸不成比例的儲能性能和壽命，有可能徹底改變未來的技術。
“雖然在這點上很難講，我們發(fā)現(xiàn)的這類新型2-D材料究竟會有怎樣的表現(xiàn)，但它是安全的，這個發(fā)現(xiàn)使材料科學和納米技術進入了一個未知的領域。”Anasori如是說。
掌控材料（Mastering Materials）
將二維的元素以有序方式結合，從而生成新材料，是德雷塞爾大學納米材料研究人員十多年來的目標。在原子級別上實現(xiàn)這種有序結合并不是一件容易的事情。
“受制于結構和電荷的影響，某些元素并不‘喜歡’結合在一起。”Anasori說，“就像試圖將磁鐵相同極性的一面堆在一起一樣——這是不會成功的。”
但是德雷塞爾大學研究人員設計了一個巧妙的方法來規(guī)避這一化學挑戰(zhàn)。使用的原材料是杰出教授Michel W. Barsoum博士（同時也是MAX/MXene研究小組負責人）20多年前發(fā)明的一種MAX相。MAX相就像是產生第一組織的原始軟泥一樣——最終成本的所有元素都是MAX相，等待研究人員發(fā)布命令。
Michel W. Barsoum博士和YuryGogotsi博士于2011年首次合成了穩(wěn)定的、二維層狀材料，稱作MXene。YuryGogotsi博士是德雷塞爾大學納米材料課題組負責人、工程學院Distinguished University和Trustee Chair教授。
為了合成MXenes，研究人員通過酸刻蝕從一大塊MAX相中選取了鋁原子層。
“MXene的合成就像是將木頭切片似的，將木板浸泡于溶解膠水的化學試劑中。”Anasori說，“將MAX相浸于酸中，可以選擇性的刻蝕掉某些層，將MAX相轉變成許多薄的2-D片，也就是MXenes。”
至于儲能材料，MXenes是一個啟示。發(fā)現(xiàn)之前，石墨烯（碳的單原子層）是第一個認為在儲能方面具有潛在應用的二維材料。但是，它只有一個元素，碳，所以很難改變石墨烯的形式，從而限制了其儲能性能。新型的MXenes具有可以儲存更多能量的表面。
元素困境（An Elemental Impasse）
四年之后，研究人員研究元素周期表中稱作“過渡金屬”的元素，產生MAX相，并將其刻蝕成各種成分的MXenes，所有的這些都在測試其儲能性能。
Anasori的發(fā)現(xiàn)遇到了一個困境。
“試圖合成含鉬的MXenes時遇到了一些困難。”Anasori說，“加入鈦，設法合成有序的鉬MAX相，其中鈦原子位于中心位置，而鉬原子位于外部。”
下一個前沿（The Next Frontier）
現(xiàn)在，在橡樹嶺國家實驗室FIRST能源前沿研究中心研究人員理論計算的幫助下，德雷塞爾大學研究小組已經從原理上知曉了，可以采用這種方法合成25中不同組合的過渡金屬，比如之前不會去嘗試的鉬和鈦。
“科學界已知的不同層狀元素形成最薄的材料有可能導致令人興奮的新結構，并獲得前所未有的性能”Barsoum說，“這種新的分層方法給研究人員提供了難以計數(shù)的調整材料‘性能’的可能性。”
Anasori計劃通過用其他金屬取代鈦合成更多的材料，如釩、鈮、鉭，挖掘出適合于儲能和其他應用的物理性能。
“2-D材料中這種級別的結構復雜性、或分層，有望導致許多新的具有超出其性能的獨特結構。”Gogotsi說，“我們看到了在熱電、電池、催化劑、太陽能電池、電子器件、結構化合物等眾多領域的應用前景，在原子級別上達到了一個新的工程水平。”
責任編輯：徐婷
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