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适用于电池和其他能量转换装置的超级材料

一个计划外的发现可能会导致未来在电池、燃料电池、将热转化为电能的设备等方面的关键发现。

科学家通常通过仔细选择研究问题、制定解决问题的适当计划并执行该计划来进行研究。但是,计划外的发现可能会在此过程中发生。

与能源部 (DOE) 阿贡国家实验室联合任命的西北大学教授 Mercouri Kanatzidis 正在寻找一种具有非常规行为的新超导体时,他有了一个意想不到的发现。它是一种只有四个原子厚的材料,只允许研究带电粒子在二维中的运动。这样的研究可以刺激用于各种能量转换设备的新材料的发明。

“我们的分析结果表明,在此转变之前,银离子固定在我们材料二维范围内的密闭空间中,但在此转变之后,它们会四处摆动,”与阿贡大学和西北大学联合任命的 Mercouri Kanatzidis 说

Kanatzidis 的目标材料是银、钾和硒 (α-KAg 3 Se 2 ) 的四层结构组合,就像结婚蛋糕一样。这些二维材料有长有宽,但只有四个原子高,几乎没有厚度。

当冷却到非常低的温度时,超导材料会失去对电子运动的所有阻力。“令我非常失望的是,这种材料根本不是超导体,我们无法制造出超导体,”阿贡大学材料科学部 (MSD) 的高级科学家 Kanatzidis 说。“但令我惊讶的是,它竟然是超离子导体的一个极好的例子。”

在超离子导体中,固体材料中的带电离子就像在电池中的液体电解质中一样自由漫游。这导致固体具有异常高的离子电导率,这是导电能力的衡量标准。这种高离子电导率带来了低热导率,这意味着热量不容易通过。这两种特性使超离子导体成为用于能量存储和转换设备的超级材料。

该团队发现一种具有特殊性质的材料的第一个线索是当他们将其加热到 450 到 600 华氏度之间时。它转变为更对称的分层结构。该团队还发现,当他们降低温度,然后再次将其升高到高温区时,这种转变是可逆的。

“我们的分析结果表明,在这种转变之前,银离子被固定在我们材料的二维空间内的密闭空间中,”Kanatzidis 说。“但在这次转变之后,他们摇摆不定。” 虽然人们对离子如何在三维空间中移动了解很多,但对它们如何仅在二维空间中移动知之甚少。

科学家们一直在寻找一种示例材料来研究二维材料中的离子运动。这种分层的钾-银-硒材料似乎是一种。该团队测量了离子在这种固体中的扩散方式,发现它与重盐水电解质(已知最快的离子导体之一)相当。

虽然现在判断这种特殊的超离子材料是否会得到实际应用还为时过早,但它可以立即成为设计其他具有高离子电导率和低热导率的二维材料的关键平台。

MSD 首席材料科学家 Duck Young Chung 说:“这些特性对于设计用于电池和燃料电池的新型二维固体电解质非常重要。”

对这种超离子材料的研究也有助于设计新的热电设备,将发电厂、工业过程甚至汽车排放的废气中的热量转化为电能。此类研究可用于设计用于环境净化和水脱盐的膜。

这项研究发表在Nature Materials 上。

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