Energiespeicher: Tiefer Blick ins Innere von MXene-Flocken

Eine neue Methode in der Spektromikroskopie verbessert die Untersuchung chemischer Reaktionen auf der Nanoskala, sowohl auf Oberflächen als auch im Inneren von Schichtmaterialien. Die Methode wurde von einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie unter der Leitung von Tristan Petit entwickelt. Das Team demonstrierte die Methode an MXene-Flocken, einem Material, das als Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt wird. Die Raster-Röntgenmikroskopie SXM an der Maxymus-Beamline von Bessy II am HZB ermöglicht den hochsensitiven Nachweis von chemischen Gruppen, die an der obersten Schicht adsorbiert oder in der MXene-Elektrode eingelagert sind.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2011 haben MXene – hochleitfähige Materialien mit hydrophiler Oberfläche – aufgrund ihrer vielseitigen, abstimmbaren Eigenschaften und interessanter Anwendungen von der Energiespeicherung bis zur elektromagnetischen Abschirmung großes wissenschaftliches Interesse geweckt. Auf der Nanoskala finden dabei komplexe chemische Prozesse statt.

Das Team von Petit nutzte die Raster-Röntgenmikroskopie, um die chemische Bindung von Ti₃C₂T_x-MXenen mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung zu untersuchen. Das Neue ist, dass die Messdaten gleichzeitig über zwei Detektionsmodi erfasst werden, der Transmission und der Elektronenausbeute. Dies ermöglicht unterschiedliche Sondierungstiefen.

Das Experiment lieferte detaillierte Einblicke in die chemische Zusammensetzung und Struktur von MXenen. „Unsere Ergebnisse werfen ein Licht auf die chemischen Bindungen innerhalb der MXene-Struktur und mit den umgebenden Spezies und bieten neue Perspektiven für ihre Nutzung in verschiedenen Anwendungen, insbesondere in der elektrochemischen Energiespeicherung“, sagt Faidra Amargianou vom HZB.

Zum ersten Mal wurde SXM eingesetzt, um MXene abzubilden, wodurch Details der lokalen Bindungen zwischen Titan und Endverbindungen innerhalb der MXen-Struktur sichtbar wurden. Die Forscher untersuchten auch den Einfluss verschiedener Synthesewege auf die MXen-Chemie und beleuchteten die Auswirkungen von Endungen auf die elektronischen Eigenschaften von MXene.

Darüber hinaus lieferte die Anwendung von SXM bei der Analyse von MXen-basierten Materialien in Lithium-Ionen-Batterien wertvolle Erkenntnisse über die Veränderungen in der MXen-Chemie nach dem Batteriewechsel. „Der Großteil der MXen-Elektrode bleibt während der elektrochemischen Zyklen stabil, mit Anzeichen einer möglichen Li+-Einlagerung. Der Elektrolyt führt nicht zum Abbau des MXens und liegt auf der MXen-Elektrode auf“, so Amargianou.

Die Studie liefert wertvolle Einblicke in die lokale Chemie von MXenen und verdeutlicht das Potenzial der SXM für die Charakterisierung anderer Schichtmaterialien. „Bildgebungsverfahren wie SXM können dazu genutzt werden, um die Wechselwirkungen von Schichtmaterialien in komplexen Systemen zu entschlüsseln“, betont Petit. „Wir arbeiten derzeit daran, elektrochemische SXM-Messungen in situ direkt in flüssiger Umgebung zu ermöglichen.“

HZB / RK