Energieforscher der University of New South Wales (UNSW) haben Fortschritte bei der Verwendung von kontrolliertem Architekturdesign und Bautechnik als Methode zur Feinabstimmung von Materialien gemeldet, um gleichzeitig eine hohe Leistung und eine hohe Energiedichte für die elektrochemische Speicherung in tragbaren Geräten zu erzielen.
Das entworfene Material, das aus Ceroxid-Nanoflocken besteht, die zu einer einheitlichen Dicke synthetisiert und mit Molybdänionen am ANSTO Center for Accelerator Science implantiert wurden, hat vielversprechende Eigenschaften für die Verwendung als Interkalations-Pseudokondensator gezeigt.
Dr. Pramod Koshy, Dr. Sajjad S Mofarah, Herr Xiaroran Zheng und Mitarbeiter der School of Materials Science and Engineering der UNSW, des Solid State Physics Laboratory in Bangladesch und ANSTO haben über die Feinabstimmung der Anordnung und des Kanals von Sauerstoffleerstellen berichtet Bildung in Ceroxid, das mit Molybdänionen implantiert ist, um eine interkalierte Pseudokapazität zu erreichen.
Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen.
Die Gruppe baute auf Arbeiten auf, die 2017 begannen. Ein früheres Papier, veröffentlicht in Naturkommunikation beschrieben 2019 erstmals ultradünnes CeO2−x für pseudokapazitive Energiespeicheranwendungen.
In der jüngsten Arbeit nahmen die Forscher strukturelle Modifikationen am Übergangsmetalloxid vor, indem sie zweidimensionale Nanoflocken aus defektreichem Ceroxid herstellten, die bis zu 12 Nanometer dünn auf einem Nickelschaumsubstrat sind.
Intrinsische Defekte wurden in die Nanoflocken eingeführt, indem Reduktionsbedingungen durch eine N2-Atmosphäre angewendet wurden.
„Unsere erste Strategie war die Schaffung von Sauerstoffleerstellen im System durch Verwendung einer reduzierenden Atmosphäre“, erklärte Co-Erstautor Dr. Mofarah von der UNSW.
Nanoflocken haben hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisse und kurze Querschnittspfade, die ionische Ladungsübertragungsprozesse verbessern.
Die Oberflächentechnik war auf die Bildung geordneter Sauerstoffleerstellenkanäle (Array von 0D-Punktdefekten) gerichtet, die einen atomaren Kanal für die Interkalation bereitstellten.
Das Vorhandensein von stabilen Sauerstoffleerstellenkanälen mit einer signifikant höheren Anzahl aktiver Stellen an der Oberfläche und den Regionen unter der Oberfläche in den Nanoflocken verbesserte die Kapazität.
Die Rolle von Defekten wurde im galvanisch abgeschiedenen CeO2−x durch Tempern sowohl unter Luft als auch unter N2 untersucht.
Die Reduktion erhöhte die gravimetrische Kapazität um 77 Prozent.
Simulationen mit theoretischer Modellierung bestätigten, dass die Oberflächenreduktion zur Bildung geordneter Sauerstoffleerstellenkanäle führte.
„Es wäre als Pseudokondensator nicht sehr effektiv, wenn es nicht zweidimensional wäre. Idealerweise hat man mit einer Nanoschicht von atomarer Dicke alle aktiven Stellen, die zum Lade-/Entladeprozess beitragen, da es keinen Unterschied zwischen Masse und Oberfläche gibt “, sagte Dr. Mofarah.
Die Forscher verwendeten die Strahllinie des niederenergetischen Ionenimplantierers am Sirius-Beschleuniger am Center for Accelerator Science von ANSTO, um niederenergetische Ionen von Molybdän Mo6+ in das zweidimensionale Material zu implantieren.
Die Instrumentenwissenschaftler Dr. Armand Atanacio und Dr. Madhura Manohar führten den Ionenimplementierungsprozess durch.
Es wird angenommen, dass dies die erste Anwendung der Ionenimplantation ist, um die Leistung eines Interkalations-Pseudokondensators zu verbessern.
„Meistens werden unsere Beschleuniger für Analysen verwendet, um ein Material zu charakterisieren. Die niederenergetische Ionenimplantation ist anders, da sie ein Material modifiziert und seine funktionellen Oberflächeneigenschaften verändert“, sagte Dr. Atanacio.
Die Einführung von Molybdänatomen in die Kristallstruktur erzeugte Elektronen, die den Ladungstransfer erleichterten und die elektrische Gesamtleitfähigkeit verbesserten.
„Dies war unsere zweite Strategie, die Ceroxidschicht mit Metallionen, in diesem Fall Molybdän, zu bombardieren, um die Leitfähigkeit des Systems zu verbessern. Es wird angenommen, dass ein Teil des Cers während dieses Prozesses aus dem System entfernt wird“, sagte Dr. Kosch.
„Wir verwenden wenig Energie, damit wir niedrige Konzentrationen einsetzen können. Außerdem zerstört die Technik die Oberfläche nicht“, sagte Dr. Koshy.
Die Erzeugung von Elektronen veränderte das Energieband nicht, erleichterte jedoch einen verbesserten Elektronentransfer über die Bandlücke.
Molybdänionenimplantations- und Reduktionsprozesse erhöhten die spezifische Kapazität um 133 Prozent, während die Kapazitätserhaltung von 89 auf 95 Prozent stieg.
Ohne die architektonischen und strukturellen Modifikationen wäre Ceroxid als Pseudokondensator ungeeignet, da es eine dicht gepackte Kristallstruktur von nicht geschichteter Natur hat und nur zwei Oxidationsstufen (dh Ce3+ und Ce4+) hat, die währenddessen ineinander wechseln können Lade-/Entladevorgang.
„Niemand hat dieses Verhalten bei Ceroxid beobachtet, und das lag an den strukturellen Modifikationen, die wir an dem Material vorgenommen haben“, sagte Dr. Mofarah.
Die Gruppe beabsichtigt, mit anderen Ionen zu experimentieren, um zu sehen, ob die Kapazität weiter verbessert werden kann.
Sajjad S. Mofarah et al., Protonengestützte Erzeugung steuerbarer volumetrischer Sauerstoffleerstellen in ultradünnem CeO2−x für pseudokapazitive Energiespeicheranwendungen, Naturkommunikation (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-10621-2
Xiaoran Zheng et al., Rolle der Ordnung der Sauerstoffleerstellen und der Kanalbildung bei der Abstimmung der Interkalations-Pseudokapazität in Mo-Einzelionen-implantierten CeO2-x-Nanoflocken, ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2021). DOI: 10.1021/acsami.1c14484