p O segredo para fazer os melhores materiais de armazenamento de energia é cultivá-los com o máximo de área de superfície possível. Como assar, requer apenas a mistura certa de ingredientes preparados em uma quantidade específica e pedido na temperatura certa para produzir uma folha fina de material com a consistência química perfeita para ser útil no armazenamento de energia. Uma equipe de pesquisadores da Drexel University, A Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia (HUST) e a Universidade Tsinghua descobriram recentemente uma maneira de melhorar a receita e tornar os materiais resultantes maiores e melhores e absorvendo energia - o segredo? Basta adicionar sal. p As descobertas da equipe, que foram publicados recentemente no jornal Nature Communications , mostram que o uso de cristais de sal como um modelo para crescer folhas finas de óxidos de metal condutores faz com que os materiais fiquem maiores e quimicamente mais puros - o que os torna mais adequados para coletar íons e armazenar energia.

p "O desafio de produzir um óxido de metal que alcance valores de desempenho teóricos é que os métodos para fabricá-lo limitam inerentemente seu tamanho e muitas vezes prejudicam sua pureza química, o que o torna aquém do desempenho de armazenamento de energia previsto, "disse Jun Zhou, professor do Laboratório Nacional de Wuhan de Optoeletrônica do HUST e autor da pesquisa. Nossa pesquisa revela uma maneira de crescer folhas de óxido estáveis ​​com menos incrustação, que são da ordem de várias centenas de vezes maiores do que as que estão sendo fabricadas atualmente. "

p Em um dispositivo de armazenamento de energia - uma bateria ou um capacitor, por exemplo - a energia está contida na transferência química de íons de uma solução eletrolítica para camadas finas de materiais condutores. À medida que esses dispositivos evoluem, eles se tornam menores e capazes de reter uma carga elétrica por períodos mais longos sem a necessidade de recarga. A razão para seu aprimoramento é que os pesquisadores estão fabricando materiais mais bem equipados, estrutural e quimicamente, para coletar e desembolsar íons.

p Em teoria, os melhores materiais para o trabalho devem ser folhas finas de óxidos de metal, porque sua estrutura química e alta área de superfície facilitam a ligação dos íons - que é como ocorre o armazenamento de energia. Mas as folhas de óxido de metal que foram fabricadas em laboratórios até agora estão bem aquém de suas capacidades teóricas.

p De acordo com Zhou, Tang e a equipe do HUST, o problema está no processo de fabricação das nanofolhas - que envolve uma deposição de gás ou uma corrosão química - muitas vezes deixa vestígios de resíduos químicos que contaminam o material e evitam que íons se liguem a ele. Além disso, os materiais feitos dessa maneira geralmente têm apenas alguns micrômetros quadrados.

p Usar cristais de sal como substrato para o crescimento dos cristais permite que eles se espalhem e formem uma folha maior de material de óxido. Pense nisso como fazer um waffle pingando massa em uma frigideira em vez de despejá-la em uma grande ferro para waffles; a chave para conseguir um grande, produto robusto está obtendo a solução - seja massa, ou composto químico - para espalhar uniformemente sobre o modelo e estabilizar de maneira uniforme.

p "Este método de síntese, chamado de 'modelo' - onde usamos um material sacrificial como substrato para o crescimento de um cristal - é usado para criar uma certa forma ou estrutura, "disse Yury Gogotsi, PhD, Professor da University and Trustee Chair na Drexel's College of Engineering e chefe da A.J. Instituto de Nanomateriais Drexel, quem foi o autor do artigo. "O truque neste trabalho é que a estrutura cristalina do sal deve corresponder à estrutura cristalina do óxido, caso contrário, formará uma película amorfa de óxido em vez de uma coisa, nanocristal forte e estável. Esta é a principal descoberta de nossa pesquisa - significa que diferentes sais devem ser usados ​​para produzir diferentes óxidos. "

p Os pesquisadores usaram uma variedade de produtos químicos, compostos, polímeros e objetos como modelos de crescimento para nanomateriais. Mas essa descoberta mostra a importância de combinar um modelo com a estrutura do material que está sendo cultivado. Cristais de sal acabam sendo o substrato perfeito para o cultivo de folhas de óxido de magnésio, molibdênio e tungstênio.

p A solução precursora reveste as laterais dos cristais de sal à medida que os óxidos começam a se formar. Depois que eles se solidificaram, o sal é dissolvido em uma lavagem, deixando folhas bidimensionais com nanômetros de espessura que se formaram nas laterais do cristal de sal - e poucos vestígios de quaisquer contaminantes que possam prejudicar seu desempenho de armazenamento de energia. Ao fazer nanofolhas de óxido desta forma, os únicos fatores que limitam seu crescimento são o tamanho do cristal de sal e a quantidade de solução precursora usada.

p "O crescimento lateral dos óxidos 2D foi guiado pela geometria do cristal de sal e promovido pela correspondência de rede e a espessura foi restringida pelo fornecimento de matéria-prima. As dimensões dos cristais de sal são dezenas de micrômetros e orientam o crescimento do óxido 2D para um padrão semelhante Tamanho, "os pesquisadores escrevem no artigo." Com base nas estruturas cristalinas naturalmente sem camadas desses óxidos, a adequação do modelagem assistida por sal como método geral para a síntese de óxidos 2D foi demonstrada de forma convincente. "

p Como previsto, o tamanho maior das folhas de óxido também equivale a uma maior capacidade de coletar e liberar íons de uma solução eletrolítica - o teste final para seu potencial de uso em dispositivos de armazenamento de energia. Os resultados relatados no artigo sugerem que o uso desses materiais pode ajudar na criação de uma bateria de íon de alumínio que pode armazenar mais carga do que as melhores baterias de íon de lítio encontradas em laptops e dispositivos móveis hoje.

p Gogotsi, junto com seus alunos do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, colabora com a Huazhong University of Science and Technology desde 2012 para explorar uma ampla variedade de materiais para aplicação de armazenamento de energia. O principal autor do Nature Communications artigo, Xu Xiao, e co-autor Tiangi Li, ambos os alunos de doutorado de Zhou, veio para Drexel como estudantes de intercâmbio para aprender sobre a pesquisa de supercapacitores da Universidade. Essas visitas iniciaram uma colaboração, que foi apoiado pelas viagens anuais de Gogotsi para HUST. Embora a parceria já tenha rendido cinco publicações conjuntas, Gogotsi especula que esse trabalho está apenas começando.

p "O resultado mais significativo deste trabalho até agora é que demonstramos a capacidade de gerar óxidos 2D de alta qualidade com várias composições, "Gogotsi disse." Eu posso certamente ver a expansão dessa abordagem para outros óxidos que podem oferecer propriedades atraentes para armazenamento de energia elétrica, membranas de dessalinização de água, fotocatálise e outras aplicações. "