Super-Energiespeicher: Ladungstransport in MXenen untersucht

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 sind in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht und 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.

Multitalent Pseudokondensator

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 so genannten MXene, die aus 2D-Übergangsmetallcarbiden 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 Titancarbid-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 Prof. Yury Gogotsi, Drexel University, USA, hergestellt.

Wie funktioniert der Ladungstransport ?

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 2-3 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.

Schwingungsmuster untersucht

Dies ist nun einem Team um Dr. Tristan Petit am HZB erstmals gelungen: Die Forschenden konnten an der Röntgenquelle BESSY II die Schwingungsmoden von Protonen analysieren, die sie zuvor mit Infrarotlicht angeregt hatten. Postdoc Dr. 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.

2D-Umgebung hilft

"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.

Anmerkung: Petit hat 2015 ein Freigeist-Stipendium erhalten, um Wasserphasen in Kohlenstoff-Nanomaterialien, einschließlich MXenen, zu untersuchen. Im Jahr 2020 wurde ihm ein ERC Starting Grant zugesprochen, um seine Forschung zu Energiespeichermechanismen in diesen Materialien auszubauen. Die Methoden, die Petit entwickelt, lassen sich nicht nur auf Protonen, sondern auch auf Kationen, z. B. Li⁺-Ionen anwenden, die in MXene-Materialien diffundieren, um neue pseudokapazitive Energiespeichermechanismen zu entschlüsseln.