Nové nanopásiky by mohli zlepšiť účinnosť batérií a solárnych článkov
- Autor:
- Roman Mališka
- Zverejnené:
- 27. 9. 2023
- Hodnotenie:
- Už ste hlasovali.
Výskumníci vytvorili novú skupinu nanomateriálov legovaním fosforu s arzénom, čím vznikli jednoatómové nanopásiky s vysokou vodivosťou, ktoré sú ideálnymi kandidátmi na použitie v batériách novej generácie, solárnych článkoch a kvantových počítačoch.
Fosfor sám o sebe nevedie príliš dobre elektrický prúd, čo znamená, že sám o sebe nemá v praktických aplikáciách a zariadeniach čo ponúknuť. Výskumníci z Kráľovskej univerzity v Londýne (UCL) však zistili, že ako zliatina s arzénom sa fosfor stáva oveľa užitočnejším.
„Naša najnovšia práca pri legovaní fosforových nanopásikov arzénom otvára ďalšie možnosti. Najmä zlepšenie uskladňovania energie v batériách a superkondenzátoroch a zlepšenie detektorov blízkej infračervenej oblasti používaných v medicíne,“ povedal Adam Clancy, jeden z korešpondujúcich autorov štúdie.
Výskumníci majú pod pojmom nanopásiky na mysli vlákna fosforu s hrúbkou jedného atómu alebo, presnejšie, fosforén, čo je 2D materiál pozostávajúci z jednej vrstvy umelo vytvoreného vrstveného čierneho fosforu, najstabilnejšej formy fosforu. V roku 2019 výskumníci z UCL objavili potenciál fosforových nanopásikov, keď zistili, že ich pridanie ako vrstvy do perovskitových solárnych článkov umožňuje článkom využívať viac energie zo Slnka.
V súčasnej štúdii v snahe zlepšiť elektrickú vodivosť fosforu vedci zaviedli „nepatrné“ množstvo arzénu. Kryštály vytvorené z plátov fosforu a arzénu boli zmiešané s lítiom rozpusteným v kvapalnom amoniaku pri teplote -50 °C. Amoniak bol po 24 hodinách odstránený a nahradený organickým rozpúšťadlom. Vzhľadom na atómovú štruktúru plátov sa ióny lítia môžu pohybovať len v jednom smere, nie priečne, čo spôsobuje praskanie, ktoré vytvára pásiky. Výskumníci vytvorili novú skupinu nanomateriálov: arzén-fosforové zliatinové nanopásiky (AsPNR).
Zistili, že AsPNRs sú vysoko elektricky vodivé pri teplotách nad 130 K (-140 °C), pričom si zachovávajú užitočné vlastnosti nanopásikov obsahujúcich len fosfor. Kľúčovou vlastnosťou AsPNR je ich extrémne vysoká „pohyblivosť dier“. Diery sú opačnými partnermi elektrónov pri elektrickom prenose, takže zlepšenie ich pohyblivosti, miera rýchlosti, akou sa pohybujú materiálom, pomáha elektrickému prúdu pohybovať sa efektívnejšie.
V súčasnosti by sa fosforové nanopásiky museli miešať s vodivým materiálom, ako je uhlík, aby sa dali použiť ako anódový materiál v lítiovo-iónových alebo sodíkových batériách. Výskumníci tvrdia, že vďaka AsPNR, ktoré zvyšujú množstvo energie, ktorú môže batéria uložiť, a rýchlosť, akou sa môže nabíjať a vybíjať, by sa mohlo upustiť od uhlíkovej výplne. Okrem toho tvrdia, že použitie AsPNR v solárnych článkoch by zlepšilo tok náboja cez zariadenia, čím by sa zvýšila účinnosť článkov.
„Ukázalo sa tiež, že arzén-fosforové pásiky sú magnetické, čo podľa nás pochádza od atómov pozdĺž okraja, čo ich robí potenciálne zaujímavými aj pre kvantové počítače,“ povedal Clancy. „V širšom zmysle štúdia ukazuje, že legovanie je mocným nástrojom na kontrolu vlastností, a tým aj aplikácií a potenciálu tejto rastúcej skupiny nanomateriálov“.
Výskumníci tvrdia, že ich AsPNR by sa mohli vyrábať vo veľkom meradle v kvapaline, ktorá by sa potom mohla použiť na ich objemovú a lacnú aplikáciu na použitie v rôznych aplikáciách. Štúdia bola nedávno uverejnená v Journal of the American Chemical Society.
