Medžiagų, tinkamų energijos kaupikliams, efektyvumo paslaptis yra kuo didesnis jų paviršiaus plotas. Norėdami užauginti ploną pageidaujamų savybių medžiagos plėvelę, mokslininkai privalo tam tikrą kruopščiai atrinktų ingredientų kiekį sumaišyti tam tikra tvarka esant reikiamai temperatūrai – visai kaip gaminant valgį. Tačiau neseniai tyrėjų komanda iš JAV ir Kinijos universitetų atrado būdą, kaip patobulinti gamybos receptą. Viskas paprasta – tereikia pridėti druskos.
Mokslininkų komandos darbas, publikuotas prestižiniame žurnale „Nature Communications“, atskleidžia, jog druskos kristalų kaip padėklo panaudojimas plonų laidžiųjų plėvelių auginimo procese leidžia išgauti didesnius ir chemiškai grynesnius bandinius, o tai savo ruožtu – pageidaujamos savybės konstruojant energijos kaupiklius.
„Didžiausias iššūkis, su kuriuo susiduriama bandant pagaminti metalo oksidus, kurių našumas atitiktų teoriškai numatytąjį, yra patys gamybos metodai, natūraliai apribojantys jų dydį ir dažnai užteršiantys bandinius, – pasakoja straipsnio autoriai. – Mūsų tyrimas atskleidžia, kaip užauginti stabilias ir mažiau užterštas oksidų plėveles, kurių dydis gerokai pralenktų šiuo metu auginamas.“
Energijos kaupiklyje, pavyzdžiui, baterijoje, cheminė energija virsta elektrine, kuomet elektrolito jonai pasiekia plonus laidžiosios medžiagos sluoksnius. Nuolat tobulėjant technologijoms, energijos kaupikliai mažėja, o jų našumas didėja. Pagrindinė to priežastis – tyrėjai pateikia geriau struktūriškai ir chemiškai apdirbtų medžiagų.
Teoriniu požiūriu, geriausiai energijos kaupimui tiktų plonos metalo oksidų plėvelės, kadangi jų cheminė sandara ir didelis paviršiaus plotas palengvina jonų prisijungimą. Tačiau problema yra ta, kad iki šiol gaminamų metalo oksidų savybės neatitinka to, kas numatyta teoriškai.
Pasirodo, jog nanoplėvelių auginimas, kuriam paprastai naudojamas dujinio nusodinimo arba cheminio ėsdinimo technologijos, dažnai palieka priemaišų, kurios užteršia medžiagą ir neleidžia jonams efektyviai prie jos prisijungti. Be to, taip pagaminto bandinio dydis tesiekia kelis kvadratinius mikrometrus.
Druskos kristalų kaip padėklo panaudojimas leidžia suformuoti didesnę auginamą plėvelę. Įsivaizduokite vaflį, kuris kepamas tešlą varvinant palengva ir ją tiesiog visą supilant į keptuvę: didesniam ir nesuplyšinėjusiam vafliui iškepti tešlą geriau paskleisti po keptuvę ir ją tolygiai išlyginti.
„Šis sintezės metodas, vadinamas „šablonavimu“, naudojamas sukurti tam tikrą pavidalą arba struktūrą, – tęsia pasakojimą mokslininkai. – Labai svarbi ypatybė yra ta, kad kristalinė druskos sandara privalo atitikti auginamo oksido kristalinę sandarą, nes kitaip gausis ne stiprus ir stabilus nanokristalas, o amorfinės struktūros plėvelė. Tai esminis mūsų darbo pastebėjimas, kuris reiškia, jog skirtingiems oksidams auginti turi būti naudojamos skirtingos druskos.“
Tyrėjai išbandė daugybę chemikalų, įvairių junginių ir polimerų kaip nanomedžiagų auginimo šablonų. Tačiau šis atradimas atskleidžia šablono ir auginamos medžiagos kristalinio suderinamumo svarbą. Pasirodo, jog druskos kristalai yra puikus padėklas auginant magnio, molibdeno ir volframo oksidų plėveles.
„Horizontalų dvimačių oksidų augimą įtakojo druskos kristalų geometrija ir gardelių atitikimas, o storį apribojo žaliavos tiekimas. Druskos kristalų apimtis siekia dešimtis mikrometrų ir tai lemia dvimačių oksidų augimą iki panašaus dydžio. Mums pavyko įtikinamai parodyti, kad tokia druskos pagrindo sintezė yra bendras metodas, tinkamas dvimačiams oksidams.“
Kaip ir buvo numatyta, didesnės oksidų plėvelės geba geriau surinkti elektrolito jonus. Rezultatai, pateikti straipsnyje, leidžia tikėtis, kad tokių medžiagų panaudojimas gali padėti sukurti aliuminio jonų baterijas, kurios savo našumu pralenktų geriausias dabar nešiojamuose įrenginiuose įmontuotas ličio jonų baterijas.
„Pats džiugiausias šio darbo rezultatas yra tas, kad mes parodėme gebėjimą sukurti įvairių kompozicijų aukštos kokybės dvimačius oksidus, – pabaigia pasakojimą tyrėjai. – Galima neabejotinai įžvelgti tolimesnę šio darbo plėtrą kuriant kitus oksidus, kurie pasižymėtų savybėmis, tinkamomis elektros energijos saugojimui, vandens gėlinimui, fotokatalizei ir panašiai.“
Šaltinis: Researchers use common table salt as growth template for energy storage materials