MXeen-tussenlagen: nieuwe protonhydratatiestructuur bepaald

MXenes kunnen grote hoeveelheden elektrische energie opslaan, zoals batterijen, en vrij snel opladen en ontladen, zoals een supercondensator. Ze zijn dus een zeer interessante klasse van materialen voor energieopslag. Het materiaal is gestructureerd als een soort deeg, met de MXeen-lagen gescheiden door dunne waterfilms. Een team van HZB heeft nu onderzocht hoe protonen migreren in de waterfilms die zijn ingesloten tussen de lagen van het materiaal en ladingstransport mogelijk maken. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie en kan de optimalisatie van dit soort materialen voor energieopslag versnellen.

Een van de grootste uitdagingen voor een klimaatneutrale energievoorziening is de opslag van elektrische energie. Conventionele batterijen kunnen grote hoeveelheden energie bevatten, maar het laad- en ontlaadproces kost tijd. Supercondensatoren daarentegen laden zeer snel op, maar zijn beperkt in de hoeveelheid opgeslagen energie. Pas de laatste jaren is er een nieuwe klasse materialen besproken die de voordelen van batterijen combineert met die van supercondensatoren, pseudocondensatoren genaamd.

Veelbelovende materialen: pseudocondensatoren

Van de pseudocapacitieve materialen lijken de zogenaamde MXenen, bestaande uit een grote familie van 2D-overgangsmetaalcarbiden en -nitriden, bijzonder veelbelovend. Hun structuur lijkt op een bladerdeeg, waarbij de afzonderlijke lagen gescheiden zijn door een dun laagje water dat het transport van ladingen mogelijk maakt.

Vooral titaniumcarbide MXenen zijn geleidend en hun gelaagde structuur in combinatie met sterk negatief geladen hydrofiele oppervlakken biedt een uniek materiaal waarin positief geladen ionen zoals protonen zeer efficiënt kunnen diffunderen. De MXenes die in deze studie werden gebruikt, werden gesynthetiseerd in de groep van prof. Yury Gogotsi aan de Drexel University.

In de afgelopen jaren is deze eigenschap gebruikt om energie van protonen met ongekende snelheden op te slaan en vrij te geven in een zure omgeving. Het blijft echter onduidelijk of de ladingen voornamelijk worden opgeslagen op basis van protonadsorptie aan het MXene-oppervlak of door desolatie van protonen in de MXene-tussenlaag.

Vanwege de tweedimensionale geometrie wordt verwacht dat de 2-3 lagen dikke waterfilm die tussen de MXene-lagen is opgesloten, protonen op een andere manier solvateert dan bulkwater dat we klassiek kennen. Hoewel dit opsluitingseffect een rol zou moeten spelen bij de snelle diffusie van protonen in MXene-materialen, was het tot nu toe onmogelijk om protonen in een MXene-elektrode te karakteriseren tijdens opladen en ontladen.

Trillingsmodi geanalyseerd

Het team onder leiding van dr. Tristan Petit van HZB is er nu voor het eerst in geslaagd dit te doen door de trillingsmodi van protonen die worden opgewekt door infrarood licht te analyseren. Postdoctoraal onderzoeker dr. Mailis Lounasvuori heeft een operando-elektrochemische cel ontwikkeld die ze gebruikte om protonen en water in de titaniumcarbide MXenen van BESSY II te analyseren tijdens het laad- en ontlaadproces. Daarbij slaagde ze er ook in om de bijzondere signatuur van de protonen in het opgesloten water tussen de MXene-lagen eruit te destilleren.

“Deze trillingspatronen zijn heel anders dan die we zouden waarnemen voor protonen in een driedimensionale wateromgeving”, zegt Mailis Lounasvuori.

“Het feit dat watermoleculen infraroodstraling bijzonder sterk absorberen, terwijl MXene een zeer lage hoeveelheid licht uitzendt in dit energiebereik, maakte IR-spectroscopie bij uitstek geschikt voor onze vraag”, legt Petit uit.

Snelle verspreiding uitgelegd

Deze ongebruikelijke hydratatiestructuur, die aantoont dat protonen worden gesolvateerd door minder watermoleculen onder opsluiting dan in bulkwater, suggereert dat de desolvatie van protonen bij intercalatie tussen MXene-lagen kan bijdragen aan pseudocapacitieve energieopslag in een zure omgeving.

Het kan ook verklaren waarom protonen bijzonder snel diffunderen in MXeen-materialen, wat verband houdt met hun snelle ontlaad-/oplaadtijd. Naast toepassingen voor energieopslag, laat dit werk zien dat MXenes een ideaal platform zijn om fundamentele eigenschappen van ingesloten chemische soorten te onderzoeken, die zeker andere nieuwe chemische eigenschappen hebben die nog ontdekt moeten worden.

Deze techniek zal verder worden toegepast op andere soorten kationen dan protonen (zoals de Li⁺ ion) diffunderen in MXene-materialen om nieuwe pseudocapacitieve energieopslagmechanismen te ontrafelen.