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05.03.2020 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Materialrevolution im Nanokosmos

Autor:
Dieter Beste
3:30 Min. Lesedauer

Im Jahr 2004 markierte Graphen den Beginn einer Materialrevolution, als die phänomenalen Eigenschaften dieser zweidimensionalen Kohlenstoffschicht offensichtlich wurden. Inzwischen wächst eine umfangreiche Familie von 2D-Wunderwerkstoffen heran.

Graphen – das ist eine dünne, zweidimensionale Kohlenstoffschicht, die aus einer einzigen Lage (Monolage), hexagonal miteinander verbundener Atome besteht. Mit der als Scotch-Tape bekannt gewordenen Methode (Klebestreifen-Methode) gelang es den beiden Forschern Andre Geim und Konstantin Novoselov 2004 auf verblüffend einfache Weise einzelne Graphen-Schichten durch Ablösen von Graphit zu isolieren und umfassend physikalisch zu charakterisieren. Die beiden Forscher erhielten für Ihre bahnbrechenden Forschungsarbeiten 2010 den Nobelpreis für Physik. Die besonderen physikalischen Eigenschaften von Graphen sind inzwischen Legende; das Material gilt als Wunderwerkstoff: "Eine extrem große Ladungsträgermobilität, eine hohe optische Transparenz, ein chemisch inertes Verhalten, eine große mechanische Stabilität und eine verschwindend kleine Gaspermeabilität", zählt Springer-Autor Peter Wellmann in "Materialien der Elektronik und Energietechnik" auf (Seite 153). Und: "Eine ideale, unendlich ausgedehnte Graphen-Schicht zeigt metallisches Verhalten. Unter besonderen Randbedingungen bildet sich eine elektronische Bandlücke mit halbleitenden Materialeigenschaften aus." 

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Graphen ist laut Wellmann somit eines der vielversprechendsten neuen elektronischen Materialien mit zahlreichen Anwendungen etwa in der (Mikro-)Elektronik, Optoelektronik oder Batterie- und Brennstoffzellentechnologie. Seine technische Herstellbar- und Handhabbarkeit hat die Forschung jedoch auch dazu inspiriert, nach weiteren zweidimensionalen Materialien Ausschau zu halten. Tatsächlich wurden inzwischen zahlreiche andere 2D-Materialien entdeckt, berichtet Springer-Autorin Petra Reinke in "Vielfältige Physik" (Seite 159), "und ein Ende ist nicht abzusehen." Da viele der 2D-Materialien ganz verschiedene Eigenschaften hätten, könne man diese Lagen wie bei Lego in verschiedensten Abfolgen stapeln: "Je nach Stapelfolge erreicht man ganz unterschiedliche Eigenschaften des Gesamtpakets. Das ist unglaublich spannend, denn man kann eine Vielfalt an Eigenschaften mit wenigen Grundbausteinen erreichen."

So entdeckte 2011 eine Forschergruppe um Michel W. Barsoum an der Drexel University, Philadelphia, USA, eine Klasse von 2D-Materialien, die enorme Ladungsmengen speichern können – die sogenannten MXene. Dabei handelt es sich um 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. Die Springer-Autoren Michel W. Barsoum, Yury Gogotsi und Michael Naguib berichten im Vorwort zu "2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes)" aus erster Hand, wie es zur Entdeckung dieses neuen Wundermaterials kam. Seither seien mehr als 1000 Arbeiten von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt zu diesem Thema veröffentlicht, und diese Arbeiten seien mehr als 25.000 Mal zitiert worden. Die erste internationale Konferenz über MXene für Energieanwendungen fand vom 25. bis 26. Mai 2018 an der Jilin-Universität in China statt, berichten sie, und die zweite im Jahr 2019 in Peking.

Pseudokondensatoren aus MXene

Wie eine Batterie speichern MXene durch elektrochemische Reaktionen große Mengen elektrischer Energie – aber im Unterschied zu Batterien können sie in Sekundenschnelle geladen und entladen werden. In Zusammenarbeit mit Forschern um Yuri Gogotsi an der Drexel-Universität hat jetzt ein Team um Ameer Al-Temimy und Tristan Petit am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) gezeigt, dass die Einlagerung von Harnstoffmolekülen zwischen den zweidimensionalen Titankarbid-Schichten die Kapazität solcher "Pseudokondensatoren" sogar noch erhöhen kann, wie sie in "The Journal of Physical Chemistry C" berichten. 

Harnstoff erhöht die Kapazität

Elektrochemische Batterien auf Lithium-Basis speichern große Energiemengen, benötigen aber lange Ladezeiten. Im Unterschied dazu können Superkondensatoren elektrische Energie extrem schnell aufnehmen oder abgeben – speichern aber wesentlich weniger elektrische Energie. An BESSY II haben die Wissenschaftler deshalb analysiert, welche Veränderungen der MXene-Oberflächenchemie nach der Harnstoffeinlagerung dafür verantwortlich sind, dass Ti3C2Tx so viel Energie speichern kann wie eine Batterie, aber innerhalb von Zehntelsekunden geladen oder entladen werden kann. Ihre Erkenntnis: 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 –, und das ist viel effizienter. Die Flächenkapazität war in den Versuchen etwa 56 Prozent höher, als bei ähnlich präparierten reinen Ti3C2Tx -Elektroden.
 

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