Nanomateriaal bereikt dubbele functionaliteit-high-performance energieopslag en efficiënte degradatie van verontreinigende stoffen

Onderzoekers van de Shinshu University ontwikkelden een goedkope nanocomposiet door bimetallische en trimetallische molybdates in te bedden in stikstof-, boor- en fluor-gedoteerde holle koolstofnanovezels. Dit materiaal vertoonde uitstekende elektrochemische prestaties voor supercondensatoren, met hoge capaciteit en stabiliteit op lange termijn, evenals een sterke katalytische efficiëntie bij het afbreken van 4-nitrofenol, een veel voorkomende industriële verontreinigende stof.

De composiet biedt veelbelovende dubbele functionaliteit voor energieopslag en sanering van het milieu, waardoor een schaalbare en efficiënte oplossing is om dringende wereldwijde energie- en vervuilingsuitdagingen aan te pakken.

De wereld wordt geconfronteerd met toenemende uitdagingen in energie en duurzaamheid van het milieu. Snelle groei van bevolking, verstedelijking en industriële activiteit – vooral in ontwikkelingslanden – heeft wereldwijd energieverbruik opgestaan ​​en geïntensiveerde watervervuiling.

Deze dubbele druk heeft een golf van onderzoek gestimuleerd naar multifunctionele nanogestructureerde materialen die zowel energieopslag als milieuproblemen kunnen aanpakken. Bimetallische en ternaire metaalmolybdaten behoren tot de meest veelbelovende kandidaten en bieden sterke katalytische en elektrochemische eigenschappen.

Bestaande benaderingen om deze nanocomposieten te synthetiseren, komen echter vaak met grote nadelen. Velen vertrouwen op dure koolstofmaterialen zoals grafeen of koolstofnanobuisjes. Anderen vereisen overmatige hoeveelheden metalen-vaak van meer dan 50% per gewicht-of betrekken synthesemethoden die complex, tijdrovend en milieuvriendelijk onvriendelijk zijn. Deze beperkingen maken veel lab-schaaloplossingen onpraktisch voor het gebruik van real-world, met name in de regio’s die ze het meest nodig hebben.

Het erkennen van deze kloof, een onderzoeksteam van de Shinshu University, Japan, geleid door Distinguished Professor Ick Soo Kim van het Nano Fusion Technology Research Lab, inclusief Dr. Gopiraman Mayakrishnan, Dr. Azeem Ullah van dezelfde universiteit, en Dr. Ramkumar Vanraj van Yeungnam University, creëerde een nieuw type nanocomposite dat hoge prestaties zou kunnen leveren in een veel lagere kosten. De studie is online gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde vezelmaterialen op 2 april 2025.

De onderzoekers verankeren ultrafine bimetallische (FEMO) en ternaire (Nicomo) molybdates op holle-core koolstof nanovezels die zijn “gedoteerd” met stikstof, boor en fluor. Deze doteermiddelen verbeteren de geleidbaarheid en chemische reactiviteit van de koolstofsteiger, terwijl de holle structuur het oppervlak maximaliseert dat beschikbaar is voor reacties.

“We hebben een multifunctioneel platform gemaakt dat niet alleen schaalbaar en kostenefficiënt is, maar ook uitzonderlijke prestaties levert in energieopslag”, aldus prof. Kim. “Onze aanpak vermindert de afhankelijkheid van dure metalen, en het doping van de koolstofnanovezels verbetert hun eigenschappen, waardoor we een materiaal kunnen creëren dat zowel energie- als milieubehoeften kan aandoen.”

Het nieuwe nanocomposietmateriaal werd voornamelijk getest op zijn vermogen om energieopslag te verbeteren. Het toonde een specifieke capaciteit van 1.419,2 F/g, die aanzienlijk hoger is dan veel andere materialen die momenteel worden gebruikt voor energieopslag. Bovendien handhaafde het materiaal 86% van zijn initiële capaciteit na 10.000 ladingsontladingscycli, een cruciale factor voor de langdurige betrouwbaarheid van energieopslagsystemen.

Afgezien van zijn energieopslagmogelijkheden, vertoonde de nanocomposiet ook een aanzienlijke belofte in milieutoepassingen. Het materiaal werd getest op zijn vermogen om de vermindering van 4-nitrofenol te katalyseren, een giftige verbinding die vaak wordt aangetroffen in industrieel afvalwater. De resultaten toonden aan dat het materiaal zeer efficiënt was in het afbreken van deze verontreinigende stof, wat suggereert dat het potentieel voor gebruik in waterzuivering en technologieën voor vervuilingscontrole.

De nieuwe nanocomposiet heeft ook relatief lage productiekosten. Traditionele nanomaterialen vertrouwen vaak op dure componenten zoals grafeen of grote hoeveelheden metalen, die de productiekosten kunnen verhogen. Het nieuwe materiaal gebruikt daarentegen een kleinere hoeveelheid metaal en een eenvoudiger syntheseproces, waardoor het betaalbaarder wordt voor grootschalige toepassingen.

Deze nieuwe nanocomposiet biedt een veelbelovende combinatie van hoge prestaties, kosteneffectiviteit en schaalbaarheid, waardoor het een sterke kandidaat is voor gebruik in een breed scala aan toepassingen. Het is een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van duurzame nanotechnologieën voor wereldwijde uitdagingen. Maar verder onderzoek en ontwikkeling zullen nodig zijn voordat dit innovatieve materiaal op de markt wordt gebracht.

“De volgende stap is om het productieproces te verfijnen en het materiaal te testen in meer diverse omstandigheden”, concludeert Prof. Kim. “We zijn ook van plan om het potentieel ervan in andere milieutoepassingen te onderzoeken, zoals het verwijderen van verschillende soorten verontreinigende stoffen.”