Zweidimensionale (2D) Materialien zeigen außergewöhnliche Eigenschaften. So können sie zum Beispiel die Stromspeicherung revolutionieren. Jetzt lassen sie sich mithilfe datengestützter Methoden sogar vorhersagen.
Einbau von Kationen in den Zwischenschicht-Nanoraum des 2D-Materials MXen
Volker Presser/INM
Die Entdeckung von Graphen und seiner erstaunlichen Eigenschaften hat eine neue Materialklasse hervorgebracht – die zweidimensionalen (2D) Materialien. Angeregt durch den Erfolg des Graphens, konzentrieren sich Forscher weltweit inzwischen auf viele weitere geschichtete und nicht-geschichtete 2D-Materialien. Sie untersuchen deren faszinierende physikalische und chemische Eigenschaften unter anderem mit dem Ziel, sie für elektronische Anwendungen nutzbar zu machen. Die immer wieder verblüffenden Eigenschaften der 2D-Materialien sind wesentlich ihrer zweidimensionalen Geometrie geschuldet: Es handelt sich um Werkstoffe, die nur eine oder wenige Atomlagen dick sind, eine große Oberfläche sowie abstimmbare elektronische Eigenschaften haben und zudem eine bemerkenswerte mechanische Festigkeit aufweisen.
Zahlreiche Anwendungsbeispiele aus Elektronik und Optoelektronik, Elektrokatalyse, Batterien, Superkondensatoren und Sensorplattformen haben die Herausgeber Muhammad Ikram, Ali Raza und Salamat Ali in "2D-Materials for Energy Harvesting and Storage Applications" zusammengetragen. Im Fokus der Entwicklung von 2D-Nanomaterialien für Energiespeicher und -umwandlungsgeräte stehen Materialien wie Übergangsmetallhydroxide (transition metal hydroxides, TMHs), Übergangsmetalloxide (transition metal oxides, TMOs), Übergangsmetalldichalcogenide (transition metal dichalcogenides, TMDs) oder MXene. Die Familie der 2D-Übergangsmetallcarbide, -carbonitride und -nitride – zusammenfassend als MXene bezeichnet – hat sich seit der Entdeckung von Ti3C2 im Jahr 2011 rasch erweitert. Eine Übersicht zu diesen Materialien findet sich bei Huan Pang, Xiaoyu Cao, Limin Zhu und Mingbo Zheng im Buchkapitel "Synthesis of Two-Dimensional (2D) Nanomaterials".
Um bei der Energiespeicherung voranzukommen, hat jetzt ein Forscherteam um Volker Presser vom Saarbrücker Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) und Simon Fleischmann, Helmholtz-Institut Ulm (HIU), sogenannten Pseudokondensatoren unter die Lupe genommen. Über ihre Arbeit berichten sie in im Wissenschaftsjournal "Nature Energy". Pseudokondensatoren sind elektrochemische Energiespeicher, die sich elektrisch wie ein Kondensator verhalten und damit besonders schnell geladen werden können. Ihr Energiespeichermechanismus hingegen funktioniert wie bei einer Batterie: Energie wird durch Ioneneinlagerung in Kristallgittern gespeichert. Diese besonderen Eigenschaften können häufig durch den Einsatz von 2D-Materialien als Elektroden erreicht werden. Simon Fleischmann, ehemaliger INM-Mitarbeiter und Doktorand der Universität des Saarlandes und heute Nachwuchsgruppenleiter am Helmholtz-Institut Ulm erklärt warum: "Das besondere an 2D-Materialien ist ihr flexibler Zwischenschichtraum. Durch eine gezielte Einstellung der Netzebenenabstände im Bereich um 1 nm können wir interessante Nanoeffekte im so genannten confinement beobachten." Damit gemeint ist, dass sich Ionen und Elektrolyte, die man zum Ionentransport benötigt, in so kleinen Nanoräumen ganz anders verhalten als in einem großen Volumen oder an einer Oberfläche. Das richtige matching von Ionengröße, Elektrolyt und Nanoraum des Elektrodengitters könne eine deutliche Steigerung der Energiespeicherkapazität und Schnellladefähigkeit ermöglichen, so die Wissenschaftler.
Der Speichermechanismus der Pseudokondensatoren wurde bislang entweder Kondensatoren oder Batterien zugeordnet. Die aktuelle Forschungsarbeit des internationalen Teams unter Leitung von Veronica Augustyn von der North Carolina State University hat nun ein vereinheitlichendes Konzept hierzu etabliert. "Wir sehen einen kontinuierlichen Übergang von ganz klassischen Lithium-Ionen-Batteriematerialien bis hin zu idealer Aktivkohle", erklärt Volker Presser, Leiter des Programmbereichs Energie-Materialien am INM. "Es ist wichtig, diesen graduellen Übergang von Elektrosorption bis hin zur Interkalation als Spektrum zu verstehen. Je nach Größe und Geometrie des Nanoraums werden Ionen (teilweise) ihre Elektrolythülle abstreifen und können Redox-Prozesse durchlaufen." Womit man wieder bei 2D-Materialien wie MXenen oder schichtstrukturierten Metalloxiden ist. "Gerade der Zwischenschichtraum von 2D-Materialien ist eine großartige Spielwiese für uns in der Materialwissenschaft. Hier können wir mittels gezieltem Materialdesign schnellen Ionentransport und hohe Energiespeicherkapazität durch reversible Redox-Prozesse kombinieren", sagt Simon Fleischmann.
Umfangreichen Satz neuartiger 2D-Materialien identifiziert
Zwischen herkömmlichen 2D-Materialien wie Graphen und den neuartigen, die sich aus Metalloxiden wie Ilmenit oder Chromit synthetisieren lassen, besteht ein wesentlicher Unterschied: Letztere bilden in ihrer Kristallstruktur keine schwachen Wechselwirkungen – sogenannte van-der-Waals-Kräfte – aus, sondern stärkere, in alle Richtungen weisende ionische Bindungen. Aus diesem Grund ist es bislang in nur wenigen Experimenten gelungen, neuartige 2D-Materialien von dreidimensionalen Materialblöcken abzulösen. Die Ergebnisse der Studie könnten jetzt weitere solcher Versuche zum Erfolg führen. Mittels theoretischer Methoden sagen sie voraus, welche Verbindungen sich für die experimentelle Forschung überhaupt lohnen.
"Bei unserem datengestützten Verfahren haben wir zunächst auf die ersten verfügbaren experimentellen Informationen aufgebaut, davon ausgehend strukturelle Prototypen entwickelt und diese dann als Filterkriterium über eine riesige Material-Datenbank laufen lassen", erklärt Studienleiter Rico Friedrich vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Das Team berichtet über seine Arbeitsergebnisse in der acs-Zeitschrift "Nano-Letters". Die wesentliche Herausforderung hat nach Friedrich darin bestanden, "herauszufinden, warum diese Materialien bei ganz bestimmten Oxiden so leicht 2D-Systeme bilden. Daraus konnten wir ein valides, verallgemeinertes Such-Kriterium entwickeln und die ermittelten Kandidaten systematisch nach ihren Eigenschaften charakterisieren."
Hierfür wendeten die Forscher in erster Linie die sogenannte Dichtefunktionaltheorie an, eine praktische Berechnungsmethode für elektronische Strukturen, die in der Quantenchemie und der Physik der kondensierten Materie weit verbreitet ist. Für die nötigen Rechenschritte arbeiteten sie mit mehreren Hochleistungs-Rechenzentren aus Deutschland zusammen. Ein entscheidender Faktor war die Bestimmung der Exfoliationsenergie: Sie definiert, wie viel Energie aufgewendet werden muss, um eine 2D-Schicht von der Oberfläche eines Materials abzulösen.
Material-Datenbank mit rund 3,5 Millionen Einträgen
Bei der Studie kam auch die Material-Datenbank "Aflow" (Automatic Flow for Materials Discovery) zum Einsatz. Sie wird seit über 20 Jahren von Stefano Curtarolo von der Duke University (USA) entwickelt, der ebenfalls als Autor an der Studie beteiligt ist. Aflow gilt als eine der größten materialwissenschaftlichen Datenbanken und klassifiziert rund 3,5 Millionen Verbindungen mit mehr als 700 Millionen berechneten Materialeigenschaften.
Zusammen mit der zugehörigen Software lieferte die Datenbank den Forschern schließlich nicht nur die chemische Zusammensetzung von 28 2D-fähigen Materialien, sondern ermöglichte auch die Untersuchung ihrer Eigenschaften, die sowohl in elektronischer und magnetischer als auch topologischer Hinsicht bemerkenswert sind. Rico Friedrich zufolge könnten sie durch ihre spezielle magnetische Oberflächenstruktur besonders für spintronische Anwendungen, etwa Datenspeicher in Computern oder Smartphones, attraktiv sein.
Diese Abbildung zeigt die semitransparente Struktur von Germanium-Mangan-Oxid (GeMnO3), eines der neu entdeckten 2D-Materialien, auf seiner magnetischen Oberflächenstruktur. Das Farbmuster hebt Bereiche in der Umgebung von magnetischen Ionen hervor, in denen die Magnetisierung aus der Ebene heraus (rot) oder in sie hinein (blau) weist. Diese starke räumliche Variation der magnetischen Information könnte bei der Anwendung z. B. in Datenspeichern eine entscheidende Rolle spielen.
Rico Friedrich/HZDR