2D-Titankarbide (MXene) Super-Talent zum Energiespeichern

MXene sind 2D-Materialien, die Flocken aus vielen Schichten bilden (links) und sich als Pseudokondensatoren eignen. Durch Röntgenanalysen zeigen sich Veränderungen in der chemischen Struktur im Vergleich von reinen MXenen (mitte) und MXenen mit zwischengelagertem Harnstoff (rechts).
MXene sind 2D-Materialien, die Flocken aus vielen Schichten bilden (links) und sich als Pseudokondensatoren eignen. Durch Röntgenanalysen zeigen sich Veränderungen in der chemischen Struktur im Vergleich von reinen MXene (mitte) und MXene mit zwischengelagertem Harnstoff (rechts).

Wie eine Batterie speichern MXene große Mengen elektrische Energie – aber im Gegensatz zu Batterien können sie in Sekundenschnelle geladen und entladen werden. Forschern des Helmholtz Zentrum Berlin ist es nun gelungen, die Kapazität solcher Pseudokondensatoren um mehr als 50 Prozent zu erhöhen.

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.

Pseudokondensatoren aus MXene

Eine weitere Option ist seit 2011 in Sicht: An der US-amerikanischen Drexel University wurde eine neue Klasse von 2D-Materialien entdeckt, die enorme Ladungsmengen speichern können. Es handelt sich um so genannte MXene, Nanoblätter aus Ti3C2Tx -Molekülen, die ähnlich wie Graphen ein zweidimensionales Netzwerk bilden. Während Titan (Ti) und Kohlenstoff (C) Elemente sind, bezeichnet Tx verschiedene chemische Gruppen, die die Oberfläche versiegeln, zum Beispiel OH-Gruppen. MXene sind hochleitfähige Materialien mit hydrophiler Oberfläche. In Wasser bilden sie Dispersionen, die an schwarze Tinte erinnern.

Ti3C2Tx kann so viel Energie speichern wie eine Batterie, lässt sich aber innerhalb von Zehntelsekunden laden oder entladen. Während ähnlich schnelle (oder schnellere) 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 Wissenschaftler des Helmholtz Zentrum Berlin Dr. Tristan Petit und Ameer Al-Temimy nun erstmals weiche Röntgenabsorptionsspektroskopie an dem Elektronenspeicherring BESSY II genutzt, um MXene-Proben an den Experimentierstationen LiXEdrom und X-PEEM zu untersuchen.

Sie konnten die chemische Umgebung von MXene-Oberflächengruppen im Vakuum, aber auch direkt in Wasserumgebung analysieren. Bei ihrer Forschung nahmen die Wissenschaftler Proben aus reinen MXenen sowie aus MXenen mit eingelagerten Harnstoffmolekülen unter die Lupe und fanden dramatische Unterschiede.

Harnstoff erhöht die Kapazität

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.

Die XAS-Analysen bei BESSY II zeigten, dass sich die Oberflächenchemie durch die Anwesenheit der Harnstoffmoleküle verändert. »Am X-PEEM konnten wir auch den Oxidationszustand der Ti-Atome auf den Ti3C2Tx -Oberflächen beobachten. Dieser Oxidationszustand erhöhte sich durch die Anwesenheit von Harnstoff, was die Speicherung von mehr Energie erleichtern könnte«, so Ameer Al-Temimy, der die Messungen im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte.

Der Artikel, in denen die Wissenschaftler näher auf ihre Forschung eingehen, wurde im im Februar 2020 im Journal of Physical Chemistry veröffentlicht.