显微镜研究揭示水在储能材料中的出乎意料的作用

一种具有原子薄层水的材料对储能技术有希望,研究人员现在发现水的作用与任何人预期的不同。这一发现是可能的,因为一种新的原子力显微镜(AFM)方法,测量材料中的亚纳米级变形速率响应于由能量存储引起的材料的变化。

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原子力显微镜揭示,在钨氧化物中的结构水导致离子插层的变形率较小,这是一种意想不到的发现,其结构水的作用可以使材料具有更高的功率和效率的能量存储装置。

研究人员研究了结晶氧化钨二水合物,它由由原子薄层水分离的结晶氧化钨层组成。该材料是令人感兴趣的,因为它有助于帮助储存和释放能量迅速和有效。然而,目前尚不清楚水在这一过程中的作用。

为了解决这个问题,来自北卡罗来纳州立大学,橡树岭国家实验室(ORNL)和德克萨斯A&M大学的研究人员使用了一种新的方法。这项新技术依赖于原子力显微镜(AFM)来跟踪材料在原子尺度上的膨胀和收缩,并实时地被称为恒电位仪的电子仪器在材料中进出电荷。这种技术允许团队在电荷通过它时检测到材料中的微小变形。

“我们测试了结晶二氧化钨和结晶钨氧化物,它们缺乏水层,”NC国家材料科学与工程助理教授Veronica Augustyn和一篇关于这篇论文的作者说。“我们发现水层在材料如何机械地响应能量储存方面起着重要作用。”

“特别是,我们发现水层做了两件事,”RuCun“约翰”王,Augustyn实验室的博士生和论文的主要作者。第一,水层使变形最小化,这意味着当水存在时,离子随着物质进出物质而膨胀和收缩。二,水层使变形更加可逆,意味着材料更容易恢复到原来的尺寸。

“实际上,这意味着含水层的材料在储存电荷时更有效,损失更少的能量,”Augustyn说。

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