El secreto para fabricar los mejores materiales de almacenamiento de energía es cultivarlos con la mayor superficie posible. Como hornear requiere la mezcla correcta de ingredientes preparados en una cantidad específica y ordenados a la temperatura justa para producir una fina hoja de material con la consistencia química perfecta para ser útil para almacenar energía. Un equipo de investigadores de la Universidad de Drexel, La Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (HUST) y la Universidad de Tsinghua descubrieron recientemente una forma de mejorar la receta y hacer que los materiales resultantes sean más grandes y mejores y absorban energía:¿el secreto? Solo agrega sal.
Los hallazgos del equipo, que fueron publicados recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza , muestran que el uso de cristales de sal como plantilla para hacer crecer láminas delgadas de óxidos metálicos conductores hace que los materiales se vuelvan más grandes y más puros químicamente, lo que los hace más adecuados para recolectar iones y almacenar energía.
"El desafío de producir un óxido metálico que alcance valores de rendimiento teóricos es que los métodos para fabricarlo limitan inherentemente su tamaño y, a menudo, ensucian su pureza química, lo que hace que no alcance el rendimiento de almacenamiento de energía previsto, "dijo Jun Zhou, profesor del Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan de HUST y autor de la investigación. Nuestra investigación revela una forma de cultivar láminas de óxido estables con menos suciedad que son del orden de varios cientos de veces más grandes que las que se están fabricando actualmente ".
En un dispositivo de almacenamiento de energía, una batería o un condensador, por ejemplo, la energía está contenida en la transferencia química de iones desde una solución de electrolito a capas delgadas de materiales conductores. A medida que estos dispositivos evolucionan, se vuelven más pequeños y capaces de mantener una carga eléctrica durante períodos de tiempo más largos sin necesidad de recargarlos. La razón de su mejora es que los investigadores están fabricando materiales mejor equipados, estructural y químicamente, para recolectar y distribuir iones.
En teoria, los mejores materiales para el trabajo deben ser láminas delgadas de óxidos metálicos, porque su estructura química y su gran área de superficie facilitan la unión de los iones, que es como ocurre el almacenamiento de energía. Pero las láminas de óxido de metal que se han fabricado en laboratorios hasta ahora no han alcanzado sus capacidades teóricas.
Según Zhou, Tang y el equipo de HUST, el problema radica en el proceso de fabricación de las nanoláminas, que implica una deposición de gas o un ataque químico, a menudo deja rastros de residuos químicos que contaminan el material y evitan que los iones se adhieran a él. Además, los materiales fabricados de esta manera suelen tener un tamaño de unos pocos micrómetros cuadrados.
El uso de cristales de sal como sustrato para hacer crecer los cristales les permite extenderse y formar una hoja más grande de material de óxido. Piense en ello como hacer un gofre goteando la masa en una sartén en lugar de verterla en una gran plancha para gofres; la clave para conseguir un gran un producto resistente está obteniendo la solución, ya sea rebozado, o compuesto químico:para esparcir uniformemente sobre la plantilla y estabilizar de manera uniforme.
"Este método de síntesis, llamado 'plantilla', donde usamos un material de sacrificio como sustrato para hacer crecer un cristal, se usa para crear una determinada forma o estructura, "dijo Yury Gogotsi, Doctor, Profesor de la Cátedra de la Universidad y Fideicomisario de la Facultad de Ingeniería de Drexel y director de A.J. Instituto de Nanomateriales Drexel, quien fue autor del artículo. "El truco en este trabajo es que la estructura cristalina de la sal debe coincidir con la estructura cristalina del óxido, de lo contrario, formará una película amorfa de óxido en lugar de una cosa, nanocristal fuerte y estable. Este es el hallazgo clave de nuestra investigación:significa que se deben usar diferentes sales para producir diferentes óxidos ".
Los investigadores han utilizado una variedad de productos químicos, compuestos, polímeros y objetos como plantillas de crecimiento para nanomateriales. Pero este descubrimiento muestra la importancia de hacer coincidir una plantilla con la estructura del material que se está cultivando. Los cristales de sal resultan ser el sustrato perfecto para el cultivo de láminas de óxido de magnesio, molibdeno y tungsteno.
La solución precursora recubre los lados de los cristales de sal a medida que comienzan a formarse los óxidos. Después de que se hayan solidificado la sal se disuelve en un lavado, dejando láminas bidimensionales delgadas en nanómetros que se formaron en los lados del cristal de sal, y pocos rastros de cualquier contaminante que pudiera obstaculizar su rendimiento de almacenamiento de energía. Al hacer nanohojas de óxido de esta manera, los únicos factores que limitan su crecimiento son el tamaño del cristal de sal y la cantidad de solución precursora utilizada.
"El crecimiento lateral de los óxidos 2D fue guiado por la geometría del cristal de sal y promovido por la combinación de celosía y el espesor fue restringido por el suministro de materia prima. Las dimensiones de los cristales de sal son decenas de micrómetros y guían el crecimiento del óxido 2D a un nivel similar Talla, "escriben los investigadores en el artículo". Sobre la base de las estructuras cristalinas naturalmente no estratificadas de estos óxidos, se ha demostrado de manera convincente la idoneidad de las plantillas asistidas por sal como método general para la síntesis de óxidos 2D ".
Como se predijo, el tamaño más grande de las láminas de óxido también equivale a una mayor capacidad para recolectar y distribuir iones de una solución de electrolitos, la prueba definitiva de su potencial para ser utilizada en dispositivos de almacenamiento de energía. Los resultados informados en el documento sugieren que el uso de estos materiales puede ayudar a crear una batería de iones de aluminio que podría almacenar más carga que las mejores baterías de iones de litio que se encuentran en las computadoras portátiles y dispositivos móviles en la actualidad.
Gogotsi, junto con sus alumnos del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ha estado colaborando con la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong desde 2012 para explorar una amplia variedad de materiales para aplicaciones de almacenamiento de energía. El autor principal de la Comunicaciones de la naturaleza artículo, Xu Xiao, y el coautor Tiangi Li, ambos estudiantes de doctorado de Zhou, llegó a Drexel como estudiantes de intercambio para aprender sobre la investigación de supercondensadores de la Universidad. Esas visitas iniciaron una colaboración, que fue apoyado por los viajes anuales de Gogotsi a HUST. Si bien la asociación ya ha producido cinco publicaciones conjuntas, Gogotsi especula que este trabajo apenas comienza.
"El resultado más significativo de este trabajo hasta ahora es que hemos demostrado la capacidad de generar óxidos 2D de alta calidad con varias composiciones, ", Dijo Gogotsi." Ciertamente puedo ver expandir este enfoque a otros óxidos que pueden ofrecer propiedades atractivas para el almacenamiento de energía eléctrica, membranas de desalinización de agua, fotocatálisis y otras aplicaciones ".
