Eine neue Materialklasse kann elektrische Energie sehr schnell speichern. Es handelt sich um zweidimensionale Titankarbide, so genannte MXene. Wie eine Batterie speichern sie durch elektrochemische Reaktionen große Mengen elektrischer Energie. Aber im Gegensatz zu Batterien können sie in Sekundenschnelle geladen und entladen werden. In Zusammenarbeit mit der Drexel-Universität hat ein Team am HZB gezeigt, dass die Einlagerung von Harnstoffmolekülen zwischen den MXene-Schichten die Kapazität solcher „Pseudokondensatoren“ um mehr als 50 Prozent erhöhen kann. An BESSY II haben sie analysiert, welche Veränderungen der MXene-Oberflächenchemie nach der Harnstoffeinlagerung dafür verantwortlich sind.

Pseudokondensatoren aus MXene

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. An der Drexel University, USA, wurde 2011 eine neue Klasse von 2D-Materialien entdeckt, die enorme Ladungsmengen speichern können. Es handelt sich um so genannte MXene. Diese bilden wie Graphen ein zweidimensionales Netzwerk. MXene sind hochleitfähige Materialien mit hydrophiler Oberfläche. In Wasser bilden sie Dispersionen, die an schwarze Tinte erinnern.

Während ähnlich schnelle 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 viel effizienter.

Weiches Röntgenlicht zeigt, was passiert

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 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 dramatische Unterschiede. Das Vorhandensein von Harnstoffmolekülen verändert die elektrochemischen Eigenschaften von MXenen signifikant. Die Flächenkapazität erhöhte sich auf 1100 mF/cm2, was 56 Prozent höher ist als bei ähnlich präparierten reinen Ti3C2Tx -Elektroden.

11.3.2020 | Quelle: HZB | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH