Le secret pour fabriquer les meilleurs matériaux de stockage d'énergie est de les cultiver avec autant de surface que possible. Comme la pâtisserie, il nécessite juste le bon mélange d'ingrédients préparé dans une quantité spécifique et commandé à la bonne température pour produire une fine feuille de matériau avec la consistance chimique parfaite pour être utile pour le stockage de l'énergie. Une équipe de chercheurs de l'Université Drexel, L'Université des sciences et technologies de Huazhong (HUST) et l'Université Tsinghua ont récemment découvert un moyen d'améliorer la recette et de rendre les matériaux résultants plus gros et meilleurs et d'absorber l'énergie - le secret ? Il suffit d'ajouter du sel.
Les conclusions de l'équipe, qui ont été récemment publiés dans la revue Communication Nature , montrent que l'utilisation de cristaux de sel comme modèle pour faire croître de fines feuilles d'oxydes métalliques conducteurs rend les matériaux plus gros et plus purs chimiquement, ce qui les rend mieux adaptés à la collecte d'ions et au stockage d'énergie.
« Le défi de produire un oxyde métallique qui atteint des valeurs de performance théoriques est que les méthodes de fabrication limitent intrinsèquement sa taille et encrassent souvent sa pureté chimique, ce qui le rend en deçà des performances de stockage d'énergie prévues, " a déclaré Jun Zhou, professeur au Laboratoire national d'optoélectronique de Wuhan de HUST et auteur de la recherche. Nos recherches révèlent un moyen de faire pousser des feuilles d'oxyde stables avec moins d'encrassement qui sont de l'ordre de plusieurs centaines de fois plus grandes que celles qui sont actuellement fabriquées. »
Dans un dispositif de stockage d'énergie - une batterie ou un condensateur, par exemple, l'énergie est contenue dans le transfert chimique des ions d'une solution d'électrolyte vers de fines couches de matériaux conducteurs. Au fur et à mesure que ces appareils évoluent, ils deviennent de plus en plus petits et capables de conserver une charge électrique pendant de plus longues périodes sans avoir besoin d'être rechargés. La raison de leur amélioration est que les chercheurs fabriquent des matériaux mieux équipés, structurellement et chimiquement, pour la collecte et la distribution des ions.
En théorie, les meilleurs matériaux pour le travail devraient être de fines feuilles d'oxydes métalliques, parce que leur structure chimique et leur surface élevée facilitent la fixation des ions, c'est ainsi que se produit le stockage d'énergie. Mais les feuilles d'oxyde métallique qui ont été fabriquées dans les laboratoires jusqu'à présent sont bien en deçà de leurs capacités théoriques.
D'après Zhou, Tang et l'équipe de HUST, le problème réside dans le processus de fabrication des nanofeuillets - qui implique soit un dépôt à partir de gaz, soit une gravure chimique - laisse souvent des traces de résidus chimiques qui contaminent le matériau et empêchent les ions de s'y lier. En outre, les matériaux ainsi fabriqués ne mesurent souvent que quelques micromètres carrés.
L'utilisation de cristaux de sel comme substrat pour la croissance des cristaux leur permet de s'étaler et de former une plus grande feuille de matériau d'oxyde. Pensez-y comme faire une gaufre en faisant égoutter la pâte dans une casserole au lieu de la verser dans un gros gaufrier ; la clé pour obtenir un gros, produit robuste obtient la solution, que ce soit la pâte, ou composé chimique - pour s'étendre uniformément sur le gabarit et se stabiliser de manière uniforme.
« Cette méthode de synthèse, appelé « modèle » - où nous utilisons un matériau sacrificiel comme substrat pour la croissance d'un cristal - est utilisé pour créer une certaine forme ou structure, " dit Yury Gogotsi, Doctorat, Professeur d'université et de chaire d'administrateur au Drexel's College of Engineering et directeur de l'A.J. Institut Drexel des nanomatériaux, qui était l'auteur de l'article. "L'astuce dans ce travail est que la structure cristalline du sel doit correspondre à la structure cristalline de l'oxyde, sinon il formera un film amorphe d'oxyde plutôt qu'une chose, nanocristal solide et stable. C'est la conclusion clé de notre recherche :cela signifie que différents sels doivent être utilisés pour produire différents oxydes. »
Les chercheurs ont utilisé une variété de produits chimiques, composés, polymères et objets comme modèles de croissance pour les nanomatériaux. Mais cette découverte montre l'importance de faire correspondre un modèle à la structure du matériau cultivé. Les cristaux de sel s'avèrent être le substrat parfait pour la croissance de feuilles d'oxyde de magnésium, molybdène et tungstène.
La solution de précurseur recouvre les parois des cristaux de sel lorsque les oxydes commencent à se former. Après qu'ils se soient solidifiés, le sel est dissous dans un moût, laissant des feuilles bidimensionnelles nanométriques qui se sont formées sur les côtés du cristal de sel et peu de traces de contaminants qui pourraient nuire à leurs performances de stockage d'énergie. En fabriquant ainsi des nanofeuillets d'oxyde, les seuls facteurs qui limitent leur croissance sont la taille du cristal de sel et la quantité de solution de précurseur utilisée.
"La croissance latérale des oxydes 2D a été guidée par la géométrie des cristaux de sel et favorisée par l'appariement du réseau et l'épaisseur a été restreinte par l'approvisionnement en matières premières. Les dimensions des cristaux de sel sont de dizaines de micromètres et guident la croissance de l'oxyde 2D à un niveau similaire Taille, " écrivent les chercheurs dans l'article. " Sur la base des structures cristallines naturellement non stratifiées de ces oxydes, la pertinence de la modélisation assistée par sel en tant que méthode générale de synthèse d'oxydes 2D a été démontrée de manière convaincante."
Comme prédit, la plus grande taille des feuilles d'oxyde équivalait également à une plus grande capacité à collecter et à distribuer des ions à partir d'une solution d'électrolyte - le test ultime pour son potentiel à être utilisé dans des dispositifs de stockage d'énergie. Les résultats rapportés dans le document suggèrent que l'utilisation de ces matériaux peut aider à créer une batterie aluminium-ion qui pourrait stocker plus de charge que les meilleures batteries lithium-ion trouvées dans les ordinateurs portables et les appareils mobiles aujourd'hui.
Gogotsi, avec ses étudiants du Département de science et génie des matériaux, collabore avec l'Université des sciences et technologies de Huazhong depuis 2012 pour explorer une grande variété de matériaux pour les applications de stockage d'énergie. L'auteur principal du Communication Nature article, Xu Xiao, et co-auteur Tiangi Li, les deux doctorants de Zhou, sont venus à Drexel en tant qu'étudiants d'échange pour en savoir plus sur la recherche sur les supercondensateurs de l'Université. Ces visites ont commencé une collaboration, qui a été soutenu par les voyages annuels de Gogotsi à HUST. Alors que le partenariat a déjà donné lieu à cinq publications conjointes, Gogotsi spécule que ce travail ne fait que commencer.
"Le résultat le plus significatif de ce travail à ce jour est que nous avons démontré la capacité de générer des oxydes 2D de haute qualité avec diverses compositions, " a déclaré Gogotsi. " Je peux certainement voir étendre cette approche à d'autres oxydes qui peuvent offrir des propriétés intéressantes pour le stockage d'énergie électrique, membranes de dessalement de l'eau, photocatalyse et d'autres applications."
