Hvordan kan 2D-materialer forbedre energilagringssystemer?

2D-materialer, som TMDC (transition metal dichalcogenides), MXenes, og andre avancerede materialer, har vist sig at være lovende i udviklingen af højtydende energilagringssystemer. Disse materialer tilbyder unikke egenskaber, som kan optimere batterier, superkondensatorer og fotovoltaiske systemer. Deres struktur på atomniveau og specielle elektriske og optiske egenskaber gør dem særligt attraktive til anvendelser, hvor effektivitet, høj energitæthed og hurtig opladnings-/afladningshastighed er afgørende.

TMDC'er, for eksempel, er kendt for deres evne til at tillade effektiv ladningstransport, hvilket resulterer i hurtige opladnings- og afladningsrater samt høj effekt tæthed i energilagringssystemer. Dette minimerer energitab under drift og øger effektiviteten af batterier og superkondensatorer. På grund af deres justerbare båndgab og høje ladningsbærermobilitet bliver TMDC'er intensivt undersøgt til brug som elektrode-materialer i batterier, superkondensatorer og solceller. Deres evne til at forbedre solcelleeffektiviteten gennem heterostrukturer eller hybride enheder gør dem særligt interessante i fotovoltaiske applikationer.

MXenes, en anden klasse af 2D-materialer, har også vakt betydelig opmærksomhed. Disse materialer udviser metalisk ledningsevne, som muliggør effektiv elektrontransport, hurtige opladnings-/afladningsrater og høj effekt tæthed i energilagringssystemer. MXenes' hydrophilicitet gør dem specielt nyttige i superkondensatorer, hvor de forbedrer ionadsorptionen og kapacitansen. Deres lagdelte struktur, der har betydelig interlagrum, tillader nem iondiffusion og transport, hvilket fremmer hurtig ion-interkation/de-interkation i batterier samt hurtig ionadsorption/desorption i superkondensatorer.

Black Phosphorus (BP), som også er et lagdelt 2D-materiale, har vist sig at være et lovende elektrode-materiale til batterier. BP's lagdelte struktur muliggør effektiv iondiffusion og transport, hvilket gør det muligt at opnå hurtige opladnings-/afladningscyklusser. Dets store overfladeareal bidrager til elektrokemiske reaktioner og giver høj energilagringskapacitet. BP viser sig også at have høj bærermobilitet, hvilket gør det velegnet til applikationer, der kræver høj effekt.

Lagdelte overgangsmetalloxider er også lovende materialer til energilagring. Disse materialer består af overgangsmetallkationer indlejret mellem oxidelag og har den fordel, at de tillader effektiv ioninterkation og deinterkation. Dette giver høj energilagringskapacitet og sikrer stabilitet over lang tid, hvilket er vigtigt for cykluslevetid i batterier. Eksempler på sådanne oxider omfatter lithium-cobaltoxid (LiCoO2) og lithium-nikkel-mangan-cobaltoxid (LiNiMnCoO2), som bruges som katodematerialer i litium-ionbatterier.

Boron-nitride (BN), et 2D-materiale, der er kendt for sine fremragende termiske og elektriske isoleringsegenskaber, har også potentiale i energilagringssystemer. BN kan forbedre batteriydelsen og sikkerheden som en additiv i elektrolytter, da det forbedrer stabilitet og undertrykker uønskede side reaktioner. BN er også blevet undersøgt som elektrode-materiale i superkondensatorer og som en komponent i fotovoltaiske systemer, hvor det kan forbedre solcellernes ydeevne og stabilitet.

Fremkomsten af 2D-2D halvleder heterojunktioner har åbnet nye muligheder for at forbedre energilagringssystemers effektivitet. Ved at kombinere to forskellige 2D-materialer kan man skabe heterojunktioner med unikke elektroniske, optiske og elektrokemiske egenskaber. Disse heterojunktioner gør det muligt at forbedre ladningsseparation, udvide absorptionsspektrum og optimere båndjusteringer, hvilket resulterer i øget effektivitet og stabilitet i energilagringssystemer som batterier og superkondensatorer.

For at opnå maksimal ydeevne fra disse materialer kræves det fortsat forskning for at forstå og optimere deres egenskaber. Justering af deres struktur og funktionalitet på atomniveau kan åbne op for helt nye applikationer og forbedringer af eksisterende energilagringssystemer. Det er vigtigt at forstå, at materialernes unikke strukturelle egenskaber og den måde, de interagerer med elektrolytter og ioner, kan føre til væsentlige forbedringer i effektiviteten og levetiden af energilagringssystemer.

Hvordan Transition Metal Dichalcogenider (TMDs) og LDH-materialer Former Fremtidens Katalysatorer

En bemærkelsesværdig egenskab ved TMD'er er, at deres bandgab er indirekte i bulkformen, men bliver direkte, når materialet reduceres til monolag. Dette fænomen fører til ændringer i de elektriske og optiske egenskaber, hvor kvanteindespærring og overfladeeffekter træder frem, hvilket gør TMD'erne yderst anvendelige på tværs af flere applikationsområder. Den markante spin-orbit kobling i TMD'er skaber spin-splittede bånd, hvilket muliggør elektrisk modulation af elektronskæbner og giver TMD'erne stor anvendelighed i blandt andet spintronik.

I den katalytiske verden har TMD'erne opnået betydelig interesse. Takket være deres lagdelte arkitektur åbner de op for muligheden for at justere deres krystalgitter og de dertilhørende spændingslandskaber, hvilket kan forstærke den katalytiske aktivitet af TMD-baserede katalysatorer. TMD-nanostrukturer som MoS2, MoSe2, WS2, MoTe2 og WSe2 har fundet hyppig anvendelse i katalytiske processer på grund af deres imponerende egenskaber, herunder høje overfladearealer, fremragende elektroniske egenskaber og høj kemisk stabilitet.

Især WS2 og MoS2 eksisterer i to primære krystallinske faser: 1T (metallisk) og 2H (semikonduktiv), som adskiller sig markant med hensyn til deres materialegenskaber. Der findes dog metoder til at inducere interkonversion mellem disse faser, afhængigt af designet og den strukturelle opbygning. For eksempel blev en fremtrædende strategi for fremstilling af en 1% MoS2/Fe2O3/g-C3N4 katalysator demonstreret af Zhang et al., som viste sig at have en hydrogenproduktionseffektivitet på 7,82 mmolg−1h−1, langt over den effektive værdi for g-C3N4 alene. Den effektive konstruktion af en kompositkatalysator muliggør en forbedret ladningscarrier-migration, hvilket reducerer rekombinationen af fotogenererede elektrongab.

LDH'er har vist stort potentiale som fotokatalysatorer, især i forbindelse med vandspaltning. Deres to-dimensionelle struktur og justerbare bandgab gør dem ideelle til optimering af fotokatalytisk hydrogenproduktion. Der er blevet anvendt strategier til at udvide det optiske reaktionsområde ved at manipulere metal-kationer og indføre interkalierende anioner, hvilket gør det muligt at optimere de optiske reaktionsegenskaber og dermed forbedre ladningscarrier-separationen og mobiliteten. Desuden har nogle LDH'er, såsom ZnCr og NiFe, opnået stor succes i fotokatalytiske applikationer og udviser et højt niveau af fotokatalytisk aktivitet.

En vigtig faktor for effektiviteten af disse materialer er deres evne til at tilpasse sig specifikke lysabsorptionsegenskaber, der matcher bestemte synlige bølgelængder. For eksempel blev det i 2009 af Silva et al. dokumenteret, at en række LDH'er som ZnTi, ZnCe og ZnCr var i stand til at facilitere oxidation af vand til O2-gas under synligt lys. Spectroskopisk analyse af disse LDH'er, ved hjælp af diffuse reflektans-spektroskopi, afslørede deres unikke optiske egenskaber. ZnCr LDH viste sig at være den mest effektive fotokatalysator, da den i høj grad absorberede synligt lys.

På trods af deres potentiale er der stadig udfordringer, især hvad angår den lave effektivitet i mange fotokatalysatorer til industrielle applikationer i energikonvertering via fotokatalyse. Dog er LDH-materialer et af de mest lovende alternativer på grund af deres alsidighed og evne til at tilpasse sig forskellige anvendelser og krav. Den fortsatte udvikling af LDH-baserede fotokatalysatorer vil sandsynligvis føre til betydelige fremskridt inden for energieffektivitet og bæredygtig brintproduktion.

Hvad er betydningen af to-dimensionelle halvledermaterialer i elektroniske og fotoniske applikationer?

To-dimensionelle (2D) halvledermaterialer har gennem de seneste år tiltrukket stor opmærksomhed på grund af deres unikke elektriske og optiske egenskaber, som adskiller sig markant fra traditionelle bulk-materialer. Især materialer som MoSe₂, WSe₂ og WS₂, der tilhører klassen af overgangsmetal-dichalcogenider, har vist sig at være særdeles lovende i forbindelse med både elektroniske og fotoniske applikationer. Deres egenskaber gør dem velegnede til en bred vifte af enheder, fra transistorer til lys-emitterende dioder (LED’er) og solceller.

Forståelsen af de fundamentale egenskaber ved disse materialer begynder med deres atomstruktur. 2D-materialer er i princippet kun et atomlag tykke, hvilket giver dem enestående mekaniske og elektriske egenskaber. Især den tunge anisotropi, der karakteriserer deres elektriske ledningsevne, og den stærke afhængighed af både elektriske og optiske egenskaber i forhold til lagtykkelse, gør dem interessante for anvendelser, hvor kontrol over disse egenskaber er essentiel. For eksempel, i fotoniske applikationer, kan de optiske egenskaber af 2D-materialer, såsom deres excitoniske absorption og emission, være meget stærkt afhængige af lagtykkelsen, hvilket åbner for muligheden for at designe enheder med præcise og justerbare optiske egenskaber.

Yderligere fremgang i syntesen og fabrikationen af 2D-materialer, især de metoder der gør det muligt at frembringe store flader af højkvalitetsmateriale, er essentiel for at realisere deres potentiale i kommercielle applikationer. En af de største udfordringer i denne sammenhæng er at opnå en skalérbar produktion af materialerne, som bevarer de ønskede egenskaber, samtidig med at produktionen forbliver økonomisk effektiv. For eksempel, metoder som kemisk dampaflejring (CVD) har vist sig at være nyttige til at fremstille MoSe₂ og WSe₂ materialer med højt krystallinsk kvalitet.

Desuden har modifikationer af disse materialer, såsom in-doping eller eksperimenter med forskellige atomtyper, også potentiale til at skabe nye materialer med forbedrede egenskaber. Det er vigtigt at bemærke, at tilpasning af bandgap’et i 2D-materialer – enten gennem eksterne faktorer som mekanisk spænding eller via kemisk modifikation – kan udvide deres anvendelsesområder yderligere. Bandgap engineering af 2D halvledere giver mulighed for at skræddersy materialernes egenskaber til specifikke formål, hvilket er essentielt for integrationen af disse materialer i fremtidens avancerede elektronik og fotonik.

Der er også et væsentligt behov for at undersøge de langtidsholdbare stabiliteter af disse materialer, især under forskellige driftsbetingelser som høje temperaturer eller i aggressiv kemisk miljø. Den mekaniske stabilitet af 2D-materialer er kritisk for at opnå holdbare og pålidelige komponenter i en lang række applikationer, fra bærbare elektroniske enheder til industrielle energilagringssystemer.

Ud over de materialemæssige udfordringer er der også en række fysikalske aspekter, der bør undersøges nærmere. For eksempel, hvordan de kvantefysiske egenskaber i disse materialer kan udnyttes i fremtidens optoelektroniske enheder, er en af de største muligheder. Dette kan involvere både excitoniske tilstande og kvanteinterferens-effekter, der åbner op for helt nye enhedstyper, der kunne ændre vores tilgang til både informationsbehandling og energiomdannelse.

For læseren er det væsentligt at forstå, at de teknologiske applikationer af disse materialer stadig er under udvikling, og at der er behov for tværfagligt samarbejde for at gøre det muligt at realisere de fulde anvendelser af 2D halvledere. Udfordringerne omfatter ikke kun selve materialernes fremstilling, men også hvordan de effektivt integreres i eksisterende teknologier, herunder traditionelle siliciumbaserede systemer, samt hvordan de håndteres på makroskala.

Hvordan Graphen og TMDC-materialer Forbedrer Termoelektriske Enheder

Graphen har længe været betragtet som et revolutionerende materiale på grund af sine ekstraordinære elektriske og termiske egenskaber. Dens termiske ledningsevne er imponerende, men den kan også være en begrænsning i visse termoelectrolytiske applikationer. Ab initio-beregninger har vist, at den elektroniske bidrag til termisk ledningsevne ligger mellem 2% og 10%, og den stiger med dopingdichte. Ved lave temperaturer under 200 K dominerer elektron-urenheds-spredning, mens ved normale temperaturer (i området T ~ 300 K) er det uelastisk elektron-fonon-spredning, der spiller en central rolle.

En af de mest lovende anvendelser af grafen er i hotspot-køling. Da grafen både har en høj termisk ledningsevne og en fremragende evne til at konvertere termisk energi til elektrisk energi, gør det det ideelt til applikationer, hvor hurtig varmeafledning er nødvendig for at undgå termisk sammenbrud i nanoelektroniske enheder. Dette har vækket stor interesse for grafenbaserede termoelektriske (TE) enheder, som allerede er blevet integreret i forskellige applikationer.

Grafenbaserede TE-generatorer har for eksempel vist sig at være en lovende teknologi til selvforsynede, bærbare mikroelektroniske enheder. Et eksempel på en sådan enhed er en fleksibel TE-generator i form af et armbånd, der kan generere en spænding på 57,33 mV g−1 ved en temperaturforskel på 50 K. Denne enhed er designet til at være strækbar, hvilket gør den egnet til bærbare applikationer. Det er et skridt mod mere effektive termoelementgeneratorer, der kan anvendes til energigenerering i små elektroniske enheder.

En anden innovation er udviklingen af termoelektrisk superkondensatorer (pTCSC), der kan opbevare den elektriske energi genereret af termisk energi. Disse superkondensatorer er i stand til at oplades udelukkende gennem varme og har vist sig at generere høj termoelektrisk spænding uden ekstern strømforsyning. En sådan enhed kan også bruges til at drive smarte vinduer, der ændrer farve ved en temperaturforskel.

Ud over grafen er transition metal dichalcogenider (TMDC'er) blevet betragtet som en lovende klasse af materialer til termoelektriske applikationer. Disse lagdelte materialer har fået opmærksomhed for deres eksotiske egenskaber, herunder ændringer i deres elektroniske opførsel ved skift fra et indirekte til et direkte båndgab, når antallet af lag reduceres. TMDC-materialer som MoS₂ og WS₂ udviser også en række interessante egenskaber, herunder spin-valley låsning og piezoelektricitet, der kan udnyttes i termoelektriske enheder.

For både grafen og TMDC-materialer er det klart, at termisk ledningsevne og elektrisk ledningsevne står i et delikat forhold, hvor optimering af det ene kan påvirke det andet. Derfor er der behov for en finjustering af materialernes egenskaber for at maksimere deres effektivitet i termoelektriske applikationer. Det er vigtigt at bemærke, at teknologier som grafen og TMDC'er stadig er under udvikling, og det vil tage tid at udvikle den perfekte kombination af egenskaber for disse materialer i kommercielle enheder.

Hvordan Interlagers Interaktioner Påvirker Mekaniske Egenskaber af 2D-SCM Strukturer

De mekaniske egenskaber af to-dimensionelle halvledermaterialer (2D-SCM) er et vigtigt aspekt i forståelsen af deres anvendelser i optoelektronik og fleksibel elektronik. En af de væsentligste faktorer, der påvirker disse egenskaber, er interaktionen mellem lagene i heterostrukturer, som dannes ved stapling af to forskellige 2D monolag via langdistance-interaktioner. Disse heterostrukturer har et enormt potentiale i en lang række applikationer, men hvordan interlagers kobling påvirker de mekaniske egenskaber, er stadig under intensiv undersøgelse.

Tidligere blev metoder anvendt til at undersøge interlagers mekaniske interaktioner i homostrukturer, såsom flerlags grafen, hvor Raman-målinger af interlagers skæringsmodi viste sig at være nyttige til at analysere disse interaktioner. Det blev påvist, at et skift i Raman-punkterne fra et bilagssystem af grafen til bulk-grafit kunne relateres til ændringer i interlagers interaktioner, hvilket er en indirekte metode til at beregne skæringsmodulet af grafit. Denne tilgang har været anvendt til at undersøge grafen, men har også potentiale til at blive overført til 2D heterostrukturer.

Koren og hans kolleger brugte atomkraftmikroskopi (AFM) til at bestemme den kraft, der er nødvendig for at glide et grafenlag ved at anvende en sideværts kraft. Denne metode, som gjorde det muligt at beregne grænseflade-adhæsionsenergien, var i overensstemmelse med teoretiske resultater. Selvom denne metode er præcis i tilfælde af 2D homostrukturer, er den ikke anvendelig på samme måde for 2D heterostrukturer, da det er svært at danne stabile, todimensionelle store heterostrukturer.

For at beregne de mekaniske egenskaber af heterostrukturer benyttede Liu og hans team en metode baseret på den elastiske modulus (E2D) ved hjælp af nanoindentering. Denne metode viste, at E2D for bilagstrukturer var lavere end summen af E2D af de enkelte monolag, hvilket indikerede en glidebevægelse mellem monolagene som følge af de interlagermæssige interaktioner. I deres eksperimentelle setup blev bilagmaterialet ophængt i en sfærisk åbning, hvor det nederste monolag var fastgjort til substratet, mens det øverste monolag kunne glide. Forsøget viste, at interaktionskoefficienten, der måler styrken af interlagers interaktioner, var forskellig afhængigt af heterostrukturen. For eksempel var interaktionskoefficienten for MoS2-WS2 heterostrukturen 0,80, for MoS2-MoS2 homostrukturen 0,75, og for MoS2-grafen heterostrukturen 0,69. Denne metode giver en forenklet tilgang til at bestemme interlagers interaktioner, selvom den ikke nødvendigvis giver en eksplicit måde at beregne disse interaktioner på.

Som et resultat af deres ultratynde og atomært flade natur, er 2D-SCM-materialer særligt velegnede til anvendelser i mekaniske nanodevicer, såsom resonatorer. Resonatorer er elektromeekaniske enheder, der kan reagerer på ydre kræfter og bruges som sensorer til at måle masse, kraft og andre parametre. Graphen, med sin høje Young's modulus, lav vægt og store overfladeareal, anses som en ideel kandidat til sådanne resonatorer. Derudover er andre 2D-SCM-materialer, såsom MoS2, også blevet undersøgt for deres potentiale som resonatorer.

En vigtig dimension ved arbejdet med 2D-SCM-materialer er forståelsen af de termiske egenskaber. Selvom mange forskere har fokuseret på de optiske og elektriske egenskaber af 2D-SCM-materialer, er termiske egenskaber, herunder termisk ledningsevne og evnen til at håndtere varme, essentielle for at forstå, hvordan disse materialer vil opføre sig i virkelige applikationer. Dette kan have implikationer for områder som termoelektro-nanoteknologi og varmehåndtering i miniaturiserede enheder.

Endvidere kræver den videre udvikling af 2D-SCM-materialer, som potentielt kan revolutionere elektronikken, at vi ikke kun fokuserer på deres unikke egenskaber, men også på, hvordan de kan stabiliseres og udnyttes optimalt i praktiske enheder. Forskning i metoder til at forbedre stabiliteten, reducere defekter og kontrollere interlagers interaktioner vil spille en central rolle i denne proces.