Исследователи создают «наноцветы» для аккумулирования энергии
Исследователи из Университета штата Северная Каролина создали похожие на цветы структуры из германиевого сульфида (GeS, материал-полупроводник), имеющие чрезвычайно тонкие лепестки с большой поверхностной площадью. Цветок GeS может стать основой для создания устройств аккумулирования энергии следующего поколения и солнечных батарей.
«Создание этих структур, наноцветков GeS, – это захватывающий процесс. Это дает нам огромную площадь поверхности в небольшом пространстве, – говорит доктор Линиоу Као, доцент в области материаловедения и разработки в Университете штата Северная Каролина и соавтор статьи, описывающей исследование. – Это могло бы, например, значительно увеличить мощность литий-ионных аккумуляторов, так как более тонкая структура с большей площадью поверхности может удержать больше литиевых ионов. К тому же цветочная структура GeS может помочь в усовершенствовании суперконденсаторов, которые также используются для аккумулирования энергии».
Для создания наноцветочных структур исследователи сначала нагревают порошок GeS в печи до тех пор, пока он не начинает испаряться. Пар собирается в более прохладной области печи, где GeS осаждаются из воздуха на слоистый лист 20-30 миллимикронов в толщину и 100 микрометров в длину. Когда добавляются дополнительные слои, листы отделяются друг от друга, создавая цветочную структуру; цветки похожи на ноготки или гвоздики.
«Чтобы получить эту структуру, очень важно управлять потоком пара GeS, – говорит Као. – Нужно дать частицам время, чтобы они успели распределиться по слоям, но в то же время нельзя позволить им соединиться в плотные комья».
GeS чем-то похож на графит: так, он способен принимать форму аккуратных слоев или листов. Но в то же время GeS весьма отличается от графита. Дело в том, что строение атома этой структуры делает ее подходящей для поглощения солнечной энергии и преобразования ее в энергию, годную к употреблению. Поэтому новая цветочная структура так привлекательна для использования в солнечных батареях, особенно учитывая, что GeS – относительно недорогой и нетоксичный материал. Ведь большинство материалов, используемых в настоящее время в солнечных батареях, и дорогостоящие, и очень токсичные.
«Наноцветы» GeS имеют лепестки всего в 20-30 миллимикронов толщиной и обеспечивают большую площадь поверхности в небольшом пространстве. Структуры открывают перспективу для создания устройств аккумулирования энергии следующего поколения и солнечных батарей. Фото с сайта ncsu.edu
Исследователи опубликовали статью о данном опыте в сентябрьском номере журнала ACS Nano. В своей статье ученые пишут:
«Нам удалось синтезировать монокристаллические двумерные (2D) нанолисты GeS, используя процессы смещения пара. Нам удалось выявить, что процесс разрастания нанолистов существенно отличается от поведения других наноматериалов в тех же условиях, а также от процесса образования тонких пленок, выращенных смещением пара.
Рост нанолиста подвергается влиянию распространения исходных материалов через пограничный слой потоков газа. Это распространение, как показывают эксперименты, является лимитирующей стадией роста при типичных экспериментальных условиях; доказана существенная зависимость размера нанолиста от диффузионного потока.
Мы также обнаружили, что высококачественный нанолист GeS может вырасти в диффузионно-ограниченном режиме, поскольку качество кристалла существенно ухудшается, когда изменяется лимитирующая стадия».
Команда ученых создала модель, с помощью которой стало возможным контролировать динамику диффузии; данная модель соотносит диффузионный поток, парциальное давление исходного материала, уровень потока газа-носителя и общее давление в печи синтеза.
Као считает, что эта модель поможет в развитии основных парадигм синтеза нанолистов, с использованием не только сульфида германия, но и других материалов.
