20.03.2023 • Energie

Wie sich Ladungen in Mxenen bewegen

Infrarotspektroskopie gibt Aufschluss über Ladungstransport in Titankarbid-Mxenen.

MXene können große Mengen elektrischer Energie speichern und lassen sich dabei sehr schnell auf- und entladen. Damit vereinen MXene die Vorteile von Batterien und Super­kondensatoren und gelten als spannende neue Material­klasse für die Energie­speicherung: Das Material ist wie eine Art Blätterteig aufgebaut, die MXene-Schichten sind durch dünne Wasser­filme getrennt. Ein Team am HZB hat nun an der Röntgenquelle BESSY II untersucht, wie Protonen in diesen Wasser­filmen wandern und den Ladungs­transport ermöglichen. Ihre Ergebnisse könnten die Optimierung solcher Energie­speicher­materialien beschleunigen.

 

Abb.: Infrarotlicht regt im Wasser­film Protonen zu Schwingungen an, die sich...
Abb.: Infrarotlicht regt im Wasser­film Protonen zu Schwingungen an, die sich zwischen den MXene-Schichten bewegen. Ihre Schwingungs­muster zeigen, dass sie sich anders verhalten als in einem dickeren Wasser­film. (Bild: M. Künsting / HZB)

Elektrische Energie aus Sonne oder Wind steht manchmal überreichlich zur Verfügung und muss rasch gespeichert werden. Herkömmliche Batterien können zwar große Energiemengen speichern, aber die Lade- und Entladevorgänge benötigen Zeit. Super­kondensatoren hingegen laden sich zwar sehr schnell auf, sind aber in der Menge der gespeicherten Energie begrenzt.

Seit wenigen Jahren gibt es die neue Materialklasse der Pseudo­kondensatoren, die die Vorteile von Batterien mit denen von Super­kondensatoren kombiniert. Besonders interessant sind dabei die MXene, die aus 2D-Übergangs­metall­karbiden und -nitriden bestehen. Ihre Struktur ähnelt einem Blätterteig, dabei sind die einzelnen Schichten durch einen dünnen Wasserfilm getrennt, der den Transport von Ladungen ermöglicht. Insbesondere die Titan­karbid-MXene sind sehr leitfähig und besitzen stark negativ geladene hydrophile Oberflächen, in die positiv geladene Ionen wie Protonen effizient einwandern können. Die MXene für diese Studie hat eine Gruppe um Yury Gogotsi, Drexel University, USA, hergestellt.

In den letzten Jahren war es bereits gelungen, in solchen MXenen die Energie von Protonen in hohem Ausmaß zu speichern und wieder freizusetzen. Unklar war jedoch, ob die Ladungen hauptsächlich durch die Adsorption von Protonen an der MXene-Oberfläche oder durch die Desolvatisierung von Protonen in der MXene-Zwischen­schicht gespeichert werden. Die Erwartung war, dass sich Protonen in dem extrem dünnen Wasserfilm, der aus nur zwei bis drei Molekül­lagen Wasser besteht, anders verhalten als in Wasservolumen. Bislang war es jedoch nicht möglich, Protonen im Inneren einer MXene-Elektrode während des Ladens und Entladens zu charakterisieren.

Dies ist nun einem Team um Tristan Petit am HZB erstmals gelungen: Die Forscher konnten an der Röntgenquelle BESSY II die Schwingungsmoden von Protonen analysieren, die sie zuvor mit Infrarotlicht angeregt hatten. Postdoc Mailis Lounasvuori entwickelte eine elektrochemische „operando-Zelle“, um die Prozesse im Inneren von Titan­karbid-MXenen während des Lade- und Entlade­vorgangs zu analysieren. Dabei gelang es ihr, die spezielle Signatur der Protonen in dem eingeschlossenen Wasser zwischen den MXene-Schichten heraus­zudestillieren. „Diese Schwingungsmuster unterscheiden sich stark von denen, die wir für Protonen in einer dreidimensionalen Wasser­umgebung beobachten würden,“ sagt sie.

„Wassermoleküle absorbieren Infrarot­strahlung besonders stark, während MXene in diesem Energiebereich nur sehr wenig Licht emittieren. Deshalb war die IR-Spektroskopie ideal für unsere Fragestellung“, erklärt Petit. Die Ergebnisse zeigen, dass Protonen im dünnen Wasserfilm weitaus weniger Wasser­moleküle benötigen, um in Lösung zu gehen als im Wasservolumen. Dies könnte auch erklären, warum sich die MXene so rasch aufladen oder entladen lassen. „MXene sind damit ein wunderbares Modell­system, um Eigenschaften von zwei­dimensionalen chemischen Systemen zu untersuchen. Wir könnten dabei auch noch andere unbekannte Eigenschaften entdecken“, meint Petit.

HZB / DE

 

Weitere Infos

Virtuelle Jobbörse

Virtuelle Jobbörse
Eine Kooperation von Wiley-VCH und der DPG

Virtuelle Jobbörse

Innovative Unternehmen präsentieren hier Karriere- und Beschäftigungsmöglichkeiten in ihren Berufsfeldern.

Die Teilnahme ist kostenfrei – erforderlich ist lediglich eine kurze Vorab-Registrierung.

ContentAd

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe
ANZEIGE

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Die HiPace 10 Neo ist ein effizienter, kompakter Allrounder für den Prüfalltag, der geräuscharm und besonders energieeffizient ist.

Meist gelesen

Themen