導(dǎo)讀:出乎意料的發(fā)現(xiàn)或許能夠在未來得到從電池、燃料電池、熱點轉(zhuǎn)換裝置方面的重大發(fā)現(xiàn)。
一種適用于電池和其他能量轉(zhuǎn)換裝置的級材料
出乎意料的發(fā)現(xiàn)或許能夠在未來得到從電池、燃料電池、熱點轉(zhuǎn)換裝置方面的重大發(fā)現(xiàn)。
科學(xué)家們通常通過仔細(xì)地選擇一個研究問題，設(shè)計出一個適合的解決方案并執(zhí)行研究。但是意料之外的發(fā)現(xiàn)或許會在這個過程中發(fā)生。
Mercouri Kanatzidis是美國西北大學(xué)（Northwestern University）與美國能源部（DOE）阿貢*實驗室共同聘請的一位教授，他對一種*導(dǎo)體進(jìn)行研究時得到了意想不到的收獲。這種導(dǎo)體是一種僅有4個原子厚的材料，僅能在二維空間中研究帶電粒子的運(yùn)動。這類研究可能會刺激各種能量轉(zhuǎn)換裝置的新材料的發(fā)明。圖片
二維離子導(dǎo)體α-KAg3Se2是四層原子結(jié)構(gòu)。原子的顏色與原子的名字上的顏色一致。（圖片由Mercouri Kanatzidis、美國西北大學(xué)和阿貢*實驗室提供）
美國西北大學(xué)與阿貢*實驗室聯(lián)合任命Mercouri Kanatzidis教授說：“我們的分析結(jié)果顯示，在轉(zhuǎn)變之前，銀離子被固定在二維的密閉空間內(nèi)，但在轉(zhuǎn)換后，銀離子開始有運(yùn)動軌跡。”
Kanatzidis的目標(biāo)材料是銀、鉀和硒的組合（α-KAg3Se2），這種材料是一種4層結(jié)構(gòu)。這些二維材料只有長度和寬度，但僅有4個原子的高，幾乎是沒有高度的。
當(dāng)溫度冷卻到非常的低的情況下，導(dǎo)體材料會失去對電子運(yùn)動的所有阻力。阿貢材料科學(xué)部（MSD）高級科學(xué)家Kanatzidis表示：“這一點是讓我很失望的，這種材料完全不能成為導(dǎo)體，我們也還無法制作出導(dǎo)體。但是令我驚訝的是這種材料竟可以成為離子導(dǎo)體?！?/span>
在離子導(dǎo)體中，固態(tài)材料中的帶電離子與電池中的液體電解質(zhì)一樣自由流動。這導(dǎo)致固體具有非常高的離子導(dǎo)電性，這是導(dǎo)電能力的一種度量。具有高離子導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性低的意味著熱能不能輕易穿過。這種特性使離子導(dǎo)體成為儲能和轉(zhuǎn)換裝置的級材料。
研究小組發(fā)現(xiàn)一種特殊屬性的材料的*條線索是將溫度加熱到450至600華氏度之間時，這種材料變成了一種更加對稱的層狀結(jié)構(gòu)。該小組還發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降低，再次升高到高溫區(qū)是，轉(zhuǎn)變是可逆的。
Kanatzidis說：“我們分析結(jié)果顯示，在轉(zhuǎn)變之前，銀離子是被固定在4種材料的二維空間內(nèi)的。但轉(zhuǎn)變之后，銀離子的運(yùn)動空間擴(kuò)大?！彪m然人們對離子在三維空間中的運(yùn)動了解很多，但對它們?nèi)绾卧诙S空間中運(yùn)動卻了解很少。
科學(xué)家一直在尋找一種典型的材料來研究二維材料中的離子運(yùn)動。這種層狀鉀銀硒材料似乎就是其中。研究小組測量了離子在固體中的散布情況，并發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于這種離子與重鹽水電解質(zhì)，重鹽水電解質(zhì)是已知速度*快的離子導(dǎo)體。
雖然現(xiàn)在定論這種特殊屬性的離子材料是否能夠在實際應(yīng)用中運(yùn)用還為時尚早，但這種離子材料可以立即成為設(shè)計其他具有高離子電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率的二維材料的關(guān)鍵。
MSD主要材料科學(xué)家Duck Young Chung說：“這些特性用于設(shè)計電池和燃料電池*二維固體電解質(zhì)是非常重要的?！?/span>
對這種離子材料的研究也有助于設(shè)計新的熱電材料，將發(fā)電廠、工業(yè)過程甚至汽車尾氣中的熱量轉(zhuǎn)化為電能。這類研究可以用于設(shè)計用于環(huán)境凈化和水脫鹽的膜。
該研究在《Nature aterials》發(fā)表，名為“二維I型離子導(dǎo)體”（“A two-dimensional type I superionic conductor”）。除了Kanatzidis 和Chung之外，作者還包括Alexander J. E. Rettie, Jingxuan Ding, Xiuquan Zhou, Michael J. Johnson, Christos D. Malliakas, Naresh C. Osti, Raymond Osborn, Olivier Delaire and Stephan Rosenkranz。研究小組包括來自阿貢實驗室，美國西北大學(xué)，DOE橡樹嶺*實驗室（DOE’s Oak Ridge National Laboratory），倫敦大學(xué)學(xué)（University College London）和杜克大學(xué)（Duke University）的研究人員。
研究團(tuán)隊的實驗測量使用了橡樹嶺*實驗室與，西北大學(xué)綜合分子結(jié)構(gòu)教育和研究中心（Integrated Molecular Structure Education and Research Center）的散裂中子源，以及DOE科學(xué)用戶設(shè)施部門阿貢高級光子源（Argonne's Advanced Photon Source）的束線17-BM-B。他們的電腦模擬使用了阿貢高性能計算集群Bebop上提供的計算資源。
這項研究主要由DOE科學(xué)部與基礎(chǔ)能源科學(xué)部支持。
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