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研究人员发现超离子材料 适用于电池和其他能量转换装置

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58京牌 在进行研究时,科学家们通常会先精心选择研究主题,然后再设计适当的解决计划,并执行该计划。然而,在这一过程中,可能会有意外的发现。,Mercouri Kanatzidis教授不仅是西北大学(Northwestern University)的教授,而且在美国能源部的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)担任联合职务。他在寻找一种具有非常规行为的新型超导体时,有了意想不到的发现。这是一种只有四个原子厚度的材料,仅允许在二维空间内研究带电粒子的运动。这些研究可能会推动发明用于各种能量转换装置的新材料。

 二维超离子导体α-KAg3Se2的四层原子结构,原子颜色与图中名称颜色相符。(图片来源:阿贡实验室)

Kanatzidis的目标材料是一种银、钾和硒的混合物(α-KAg3Se2),呈四层结构,就像婚礼蛋糕一样。这些2D材料具有长度和宽度,但几乎没有厚度,只有四个原子高。

超导材料在冷却到极低温度时,会失去所有对电子运动的阻力。Kanatzidis表示:“令人失望的是,这种材料根本不是超导体,我们也不能让它成为超导体。但是,让我大吃一惊的是,这竟然是一个超离子导体的梦幻般的例子。”

在超离子导体中,带电离子在固体材料中,可以像在电池的液体电解质中一样自由漫游,从而使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。这两种特性加在一起,使超离子导体成为可用于能量存储和转换设备的超级材料。

该研究小组发现了这种具有特殊性质的材料,第一条线索是,当把这种材料加热到华氏450-600度之间时,它会转变为一种更对称的分层结构。研究人员还发现,当降低温度,然后再升到高温区时,这种转变是可逆的。Mercouri Kanatzidis表示:“分析结果显示,在转变之前,银离子被固定在材料中有限的二维空间内。然而,在发生转变之后,它们会左右摇摆。”虽然人们对离子在三维空间中的运动了解很多,但对其在二维空间中的运动却知之甚少。

一段时间以来,科学家们一直在寻找一种示范性材料,以用于研究2D材料中的离子运动。这种层状钾银硒材料似乎可成为其中之一。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。

现在判断这种特殊的超离子材料是否可以得到实际应用,还为时过早。但是,这种材料马上就可以成为设计其他具有高离子导电性和低导热系数2D材料的关键平台。MSD首席材料科学家Duck Young Chung表示:“对于设计用于电池和燃料电池的新型二维固体电解质而言,这些特性具有重要意义。”

对这种超离子材料的研究,也可能有助于设计新的热电材料,在发电厂、工业过程甚至汽车尾气中,将热能转化为电能。这些研究可用于设计用于环境净化和水淡化的膜。

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