Инновационная технология на основе фосфореновых нанолент

В связи с ростом популярности альтернативных источников энергии и развитием рынка электрического транспорта возникает проблема создания огромного количества аккумуляторов и повышения их эффективности. Но один из основных материалов для создания электрических батарей - литий - может стать главным камнем преткновения во всей индустрии новой экологически чистой энергетики. Дело в том, что запасы «новой нефти» могут иссякнуть раньше, чем мы успеем отказаться от всех двигателей внутреннего сгорания.

В журнале The Engineer приводится информация о недавней разработке с использованием фосфорена, благодаря которой могут стать реальностью быстрозаряжаемые, высокоёмкие аккумуляторные батареи, устройства, получающие электричество от сжигания отходов.

Учёные из Университетского колледжа Лондона (University College London - UCL), работающие с международной командой, изготовили гибкие наноленты из кристаллического фосфора, которые как они полагают, могут найти применение в широком круге областей, связанных с аккумулированием энергии и электроникой. В статье, опубликованной в журнале Nature, учёные из UCL совместно с командой исследователей из Университета Бристоля (University of Bristol) в Великобритании, Университета Содружества Вирджинии (Virginia Commonwellth University) в США и Федеральной политехнической школы Лозанны (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne) в Швейцарии описали, как крошечные ленты фосфорена были получены случайным образом. Учёные пытались изготовить двухразмерные листы из фосфорена - фосфорного эквивалента графена - путём смешивания чёрного фосфора с ионами лития, растворёнными в жидком аммиаке при температуре - 50C. По истечении 24 часов они удалили аммиак и заменили его органическим растворителем. Как рассказывает один из авторов исследования, д-р Крис Ховард (Chris Howard) из UCL, они обнаружили, что вместо листов они изготовили ленты. В то же время стали появляться статьи о действительно интересных, полезных и экзотических свойствах, которые могли бы быть реализованы, если бы кто-нибудь смог создать фосфореновые ленты. Учёные настраивали процесс до тех пор, пока они смогли получить образцы, в которых большую часть содержания составляли ленты. Исключительно плоские, кристаллические и необычайно гибкие ленты образуются с типичной толщиной в один атомный слой шириной 4-50 нм и длиной до 75 мкм. Первый автор статьи, г-н Митч Уоттс (Mitch Watts) из кафедры физики и астрономии UCL, отметил, что изменяя ширину или число слоёв ленты, можно было действительно изменить электронные свойства материала для конкретных областей применения.

Используя передовые методы визуализации, учёные очень подробно охарактеризовали ленты, большинство из которых имеют толщину только в один слой атомов, но там, где лента состоит более чем из одного слоя фосфорена, они обнаружили плавные переходы между 1-2-3-4 слоями, где лента расщепляется, и каждый слой имеет различные электронные свойства.

Использование фосфореновых лент внутри батарей могло бы привести к созданию устройств с исключительно быстрой диффузией ионов лития, в результате чего будет достигнута быстрая зарядка. Ёмкость батарей, содержащих фосфореновые ленты, могла бы в два раза превышать ёмкость традиционных устройств на основе литиевых ионов. Было подсчитано, что этот материал имеет очень высокий показатель качества, он может преобразовывать отработанное тепло в электричество, а высокая гибкость означает, что его можно использовать для питания носимых устройств. К другим свойствам нанолент относится их способность расщеплять воду в кислород и водород при воздействии света, поэтому они могли бы также использоваться в оптоэлектронике и наноэлектронике.

Разработанные международной командой учёных фосфореновые ленты могут стать прорывом в области электрических аккумуляторов, так как можно управлять их проводимостью, и они могут принимать практически любую форму. Рифлёная структура фосфореновых лент означает, что заряженные ионы, питающие батареи, могут двигаться в 1000 раз быстрее, чем это возможно сегодня. Это будет означать существенное сокращение времени зарядки при увеличении ёмкости примерно на 50%.

Впервые в мире международным сотрудничеством были получены отдельные гибкие ленты из кристаллического фосфора, которые могут произвести революцию в электронике и технологии быстрой зарядки аккумуляторов. По мнению разработчиков, предполагаемые области применения включают батареи, солнечные элементы, термоэлектрические устройства (для преобразования отработанного тепла в электричество), фотокатализ, наноэлектронику и квантовые вычисления. Кроме того, они предсказывают появление «экзотических» эффектов, включая новый магнетизм, волны спиновой плотности и топологические состояния. Открытие фосфореновых лент также может привести к переходу на использование ионов натрия вместо ионов лития в будущем, что означает положительные изменения в области развития электрических источников энергии. Натрий, как и фосфор, находятся в изобилии в земной коре и в морской воде, и, в отличие от лития их добыча гораздо проще и дешевле.