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.
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
