MXene als Energiespeicher: Vielseitiger als gedacht
Schematische Darstellung: Im sauren Elektrolyten H2SO4 werden durch die Interkalation von Protonen Wassermoleküle verdrängt. Die MXene-Oberflächen protonieren, was den Oxidationszustand des Titans reduziert. © Energy & Environmental Science / HZB
Im neutralen Elektrolyten Li2SO4 führen Wechselwirkungen zwischen teilweise gelösten Li+-Ionen und Wassermolekülen mit den MX-ene Oberflächen zu einer Erhöhung des Oxidationszustand der Titanatome. Dadurch verändert sich auch der Schichtabstand in den Flocken. © Energy & Environmental Science / HZB
MXene-Materialien könnten sich für eine neue Technologie eignen, um elektrische Ladungen zu speichern. Die Ladungsspeicherung war jedoch bislang in MXenen nicht vollständig verstanden. Ein Team am HZB hat erstmals einzelne MXene-Flocken untersucht, um diese Prozesse im Detail aufzuklären. Mit dem in situ-Röntgenmikroskop „MYSTIIC” an BESSY II gelang es ihnen, die chemischen Zustände von Titanatomen auf den Oberflächen der MXene-Flocken zu kartieren. Die Ergebnisse zeigen, dass es zwei unterschiedliche Redox-Reaktionen gibt, die vom jeweils verwendeten Elektrolyten abhängen. Die Studie schafft eine Grundlage für die Optimierung von MXene-Materialien als pseudokapazitive Energiespeicher.
Energiespeicher spielen eine entscheidende Rolle für eine klimaneutrale und effiziente Energieversorgung. Die derzeitigen Technologien haben Stärken und Schwächen. Batterien beispielsweise benötigen eine gewisse Zeit zum Aufladen, können aber enorme Energiemengen speichern, während elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) zwar sehr schnell aufgeladen werden können, aber nur eine begrenzte Energiemenge aufnehmen. Sogenannte Pseudokondensatoren dagegen könnten hohe Speicherkapazität mit Geschwindigkeit verbinden, weil hier der Ladungstransferprozess auf chemischen Veränderungen ohne Phasenwechsel des Materials basiert. Bislang fehlte es jedoch an vielversprechenden Materialien, um diese Technologie zu entwickeln.
MXenes: Materialklasse mit vielen Talenten
Das könnte sich mit MXene-Materialien ändern. MXene sind zweidimensionale Materialien, mit dünnen Schichten, beispielsweise aus Titancarbid, die einen leitfähigen Kern und hochreaktive Oberfläche aufweisen. Der Abstand zwischen den Schichten liegt in der Größenordnung von wenigen Nanometern. Über wässrige Elektrolyte lassen sich Protonen oder Lithium-Ionen zwischen den MXene-Schichten als Ladungsträger einbringen oder „interkalieren“, wie die Fachleute sagen. Die Ladungsträger binden sich über Redoxreaktionen an die Oberflächenendgruppen der Titanatome. Ein weiteres Plus: Wässrige Elektrolyte sind in der Regel wesentlich umweltfreundlicher als organische Elektrolyte, die in Batterien verwendet werden.
BESSY II zeigt, was chemisch an Titan abläuft
Bislang wurden jedoch vor allem größere Proben untersucht, die aus Tausenden von gestapelten MXene-Flocken bestehen. Was auf der Ebene einzelner Flocken während der Interkalation der Ionen geschieht, hat nun Dr. Tristan Petit mit seinem Team am HZB aufgeklärt. Mit dem In-situ-Röntgenmikroskop „MYSTIIC” an BESSY II gelang es ihnen, lokale chemische Veränderungen in einzelnen Ti₃C₂Tx-MXene-Flocken während der elektrochemischen Interkalation der unterschiedlichen Ionen abzubilden.
Entscheidend ist der Elektrolyt
„Wir haben signifikante Unterschiede im chemischen Verhalten festgestellt, je nachdem, ob der Elektrolyt Protonen oder Lithiumionen enthielt”, sagt Namrata Sharma, Erstautorin der Studie. Protonen reduzieren den Oxidationszustand von Titanatomen, während die Interkalation von Lithiumionen den Oxidationszustand der Titanatome erhöht.
MXene als Pseudokondensatoren?
„Dies stellt die gängige Auffassung von MXenen als elektrische Doppelschichtkondensatoren in neutralen wässrigen Elektrolyten (z. B. Li2SO4) in Frage. MXene sind komplexer und daher auch viel interessanter. Diese Erkenntnisse können wir nutzen, um MXene für neue Energiespeicheranwendungen wie die Pseudokondensatoren zu entwickeln“, sagt Petit.
Der nächste Karriereschritt
Dr. Tristan Petit kam 2013 mit einem Postdoktorandenstipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung zum HZB. 2015 konnte er mit einem Freigeist-Stipendium der VW-Stiftung eine Nachwuchsforschungsgruppe aufbauen. In 2021 erhielt er einen ERC Starting Grant und baute sein Team weiter auf. Tristan Petit setzt nun seine Karriere als Forschungsdirektor (Directeur de Recherche) am Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M) fort, einem Institut des Centre National de Recherche Scientifique CNRS. „Nach mehr als zwölf Jahren am HZB ist das ein großer Schritt in meinem beruflichen Leben!“ Er arbeitet weiterhin mit dem HZB zusammen und wird auch künftig BESSY II nutzen.
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