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Grundlagenforschung

Neue 2D-Materialien speichern Energie

4. März 2020, 14:02 Uhr | Hagen Lang

MXene sind 2D-Materialien, die Flocken aus vielen Schichten bilden (links) und sich als Pseudokondensatoren eignen. Durch Röntgenanalysen zeigen sich Veränderungen in der chemischen Struktur im Vergleich von reinen MXenen (mitte) und MXenen mit zwischengelagertem Harnstoff (rechts).

Eine neue Materialklasse zweidimensionaler Titankarbide, so genannte Mxene, kann Energie sehr schnell speichern. In Zusammenarbeit mit der US-amerikanischen Drexel-Universität konnte ein Team am Helmholz-Zentrum Berlin die Kapazität dieser "Pseudokondensatoren" um mehr als 50 Prozent steigern.

Um elektrische Energie zu speichern, gibt es unterschiedliche Lösungen: Elektrochemische Batterien auf Lithium-Basis speichern große Energiemengen, benötigen aber lange Ladezeiten. Superkondensatoren hingegen können elektrische Energie extrem schnell aufnehmen oder abgeben - speichern aber wesentlich weniger elektrische Energie.

2011 wurde an der Drexel University, USA eine neue Klasse von 2D-Materialien entdeckt, die enorme Ladungsmengen speichern können, die sogenannten MXene. Sie liegen in Nanoblättern aus Ti3C2Tx -Molekülen vor, die ähnlich wie Graphen ein zweidimensionales Netzwerk bilden.

Laden in Zehntelsekunden

Während Titan (Ti) und Kohlenstoff (C) Elemente sind, bezeichnet Tx verschiedene chemische Gruppen, die die Oberfläche versiegeln, zum Beispiel OH-Gruppen. MXene sind hochleitfähige Materialien mit hydrophiler Oberfläche. In Wasser bilden sie Dispersionen, die an schwarze Tinte erinnern. Ti3C2Tx kann so viel Energie speichern wie eine Batterie, kann aber innerhalb von Zehntelsekunden geladen oder entladen werden. Während ähnlich schnelle (oder schnellere) Superkondensatoren ihre Energie durch elektrostatische Adsorption von elektrischen Ladungen absorbieren, wird die Energie in MXenen in chemischen Bindungen an ihren Oberflächen gespeichert. Diese Art der Energiespeicherung ist effizienter.

In Zusammenarbeit mit der Gruppe um Yuri Gogotsi an der Drexel-Universität haben die HZB-Wissenschaftler Dr. Tristan Petit und Ameer Al-Temimy nun erstmals weiche Röntgenabsorptionsspektroskopie an BESSY II genutzt, um MXene-Proben an den Experimentierstationen LiXEdrom und X-PEEM zu untersuchen. Sie konnten die chemische Umgebung von MXene-Oberflächengruppen im Vakuum, aber auch direkt in Wasserumgebung analysieren. Sie untersuchten Proben aus reinen MXenen und aus MXenen mit eingelagerten Harnstoffmolekülen und fanden, dass das Vorhandensein von Harnstoffmolekülen die elektrochemischen Eigenschaften von MXenen signifikant verändert. Die Flächenkapazität erhöhte sich auf 1100 mF/cm², was 56 Prozent höher ist als bei ähnlich präparierten reinen Ti3C2Tx -Elektroden. Die XAS-Analysen bei BESSY II zeigten, dass sich die Oberflächenchemie durch die Anwesenheit der Harnstoffmoleküle verändert.

"Am X-PEEM konnten wir auch den Oxidationszustand der Ti-Atome auf den Ti3C2Tx -Oberflächen beobachten. Dieser Oxidationszustand erhöhte sich durch die Anwesenheit von Harnstoff, was die Speicherung von mehr Energie erleichtern könnte", sagt Ameer Al-Temimy, der die Messungen im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte.