MXenen voor energieopslag: chemische beeldvorming meer dan alleen oppervlakkig

Een nieuwe methode in spectromicroscopie verbetert de studie van chemische reacties op nanoschaal aanzienlijk, zowel op oppervlakken als in gelaagde materialen. Het scannen van röntgenmicroscopie (SXM) op de MAXYMUS-bundellijn van BESSY II maakt het onderzoek mogelijk van chemische soorten die zijn geadsorbeerd op de bovenste laag (oppervlak) of geïntercaleerd in de MXene-elektrode (bulk) met een hoge chemische gevoeligheid.

De methode is ontwikkeld door een HZB-team onder leiding van dr. Tristan Petit. De wetenschappers demonstreerden onder meer eerst SXM op MXene-vlokken, een materiaal dat wordt gebruikt als elektroden in lithium-ionbatterijen. Het papier is gepubliceerd in het journaal Kleine methoden.

Sinds hun ontdekking in 2011 hebben MXenes aanzienlijke wetenschappelijke belangstelling gekregen vanwege hun veelzijdige afstembare eigenschappen en uiteenlopende toepassingen, van energieopslag tot elektromagnetische afscherming. Onderzoekers hebben gewerkt aan het ontcijferen van de complexe chemie van MXenen op nanoschaal.

Het team van Dr. Tristan Petit heeft nu aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de karakterisering van MXene, zoals beschreven in hun recente publicatie. Ze gebruikten SXM om de chemische binding van Ti te onderzoeken₃C₂T_X MXenes, met T_X aanduiding van de uiteinden (T_X=O, OH, F, Cl), met hoge ruimtelijke en spectrale resolutie. De nieuwigheid van dit werk is het gelijktijdig combineren van twee detectiemodi, transmissie en elektronenopbrengst, waardoor verschillende sondedieptes mogelijk zijn.

SXM gaf gedetailleerde inzichten in de chemische samenstelling en structuur van MXenen. Volgens Faidra Amargianou, eerste auteur van het onderzoek, “werpen onze bevindingen licht op de chemische binding binnen de MXene-structuur en met omringende soorten, en bieden ze nieuwe perspectieven voor hun gebruik in verschillende toepassingen, vooral bij elektrochemische energieopslag.”

Voor het eerst werd SXM gebruikt om MXenen in beeld te brengen, waarbij details van de lokale binding tussen titanium en uiteinden binnen de MXene-structuur werden onthuld. De onderzoekers onderzochten ook de invloed van verschillende syntheseroutes op de chemie van MXene, en wierpen licht op de impact van terminaties op de elektronische eigenschappen van MXene.

Bovendien heeft de toepassing van SXM bij het analyseren van op MXene gebaseerde materialen in lithium-ionbatterijen waardevolle inzichten opgeleverd in veranderingen in de MXene-chemie na batterijcycli. Amargianou legt uit: “Het grootste deel van de MXene-elektrode blijft stabiel tijdens elektrochemische cycli met tekenen van mogelijke Li⁺ intercalatie. Elektrolyt leidt niet tot afbraak van de MXene en ligt bovenop de MXene-elektrode.”

Samenvattend biedt deze studie waardevolle inzichten in de lokale chemie van MXenen en onderstreept het het potentieel van SXM bij de karakterisering van andere gelaagde materialen. Petit concludeert: “Dit werk benadrukt het belang van geavanceerde chemische beeldvormingstechnieken zoals SXM bij het ontrafelen van de interacties van gelaagde materialen in complexe systemen. We werken momenteel aan het mogelijk maken van in situ elektrochemische SXM-metingen rechtstreeks in een vloeibare omgeving.”