新型纳米带可提高电池和太阳能电池的效率
研究人员通过将磷与砷合金化,创造出了一种新的纳米材料系列,这种单原子厚的带状材料具有高度导电性,是下一代电池、太阳能电池和量子计算机的理想候选材料。磷的导电性能并不好,这意味着它本身在实际应用和设备中没有什么用处。然而,伦敦大学学院(UCL)的研究人员发现,当磷与砷合金化后,磷就变得更加有用了。
该研究的通讯作者之一亚当-克兰西(AdamClancy)说:"我们在将磷纳米带与砷合金化方面的最新工作开辟了更多可能性--特别是改善电池和超级电容器的能量存储,以及增强医学中使用的近红外探测器。"
研究人员所说的纳米带是指一原子厚的磷带,或者更准确地说,phosphorene,一种由单层人工制造的层状黑磷(磷的最稳定形式)组成的二维材料。2019年,UCL的研究人员发现了磷纳米带的潜力,他们发现在过氧化物太阳能电池中加入一层磷纳米带,可以让电池从太阳中获取更多能量。
在目前的研究中,为了提高磷的导电性,他们引入了"微量"砷。将磷和砷薄片形成的晶体与溶解在-58°F(-50°C)液氨中的锂混合。24小时后除去氨水,换上有机溶剂。由于薄片的原子结构,锂离子只能沿一个方向移动,而不能横向移动,从而导致裂纹,形成带状。研究人员创造了一个新的纳米材料家族:砷磷合金纳米带(AsPNRs)。
他们发现,砷磷合金纳米带在130K(-226°F/-140°C)以上具有高度导电性,同时保留了纯磷纳米带的有用特性。AsPNRs的一个关键特性是其极高的"空穴迁移率"。空穴是电子在电子传输过程中的反向伙伴,因此提高空穴的迁移率(衡量空穴在材料中移动速度的指标)有助于提高电流传输的效率。
目前,磷纳米带要用作锂离子或钠离子电池的阳极材料,需要与碳等导电材料混合。研究人员说,由于AsPNRs能提高电池的能量存储量和充放电速度,因此可以省去碳填料。此外,他们还表示,在太阳能电池中使用AsPNRs将改善电荷在设备中的流动,从而提高电池的效率。
克兰西说:"砷磷带还具有磁性,我们认为磁性来自沿边缘的原子,这使它们也有可能用于量子计算机。更广泛地说,这项研究表明,合金化是控制这一不断发展的纳米材料家族的特性,进而控制其应用和潜力的有力工具。"
研究人员说,他们的AsPNRs可以在液体中大规模生产,然后可以用这种液体以低成本大量应用于不同的应用领域。
这项研究发表在《美国化学学会杂志》上。
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