Jak elektrochemické techniky, jako je EIS, galvanostatika a SECM, přispívají k optimalizaci materiálů pro skladování elektrické energie?

Impedanční odpověď je důležitým parametrem při zkoumání elektrochemického chování materiálů, přičemž impedance je poměr mezi aplikovaným střídavým napětím a vzniklým střídavým proudem, který je vyjádřen komplexním číslem. Elektrochemická impedance spektroskopie (EIS) poskytuje cenné informace o elektrickém chování a kinetice přenosu náboje v 2D polovodičových materiálech. EIS umožňuje rozbor různých elektrochemických parametrů, jako jsou odpor přenosu náboje (Rct), kapacitance dvojitého elektrody (Cdl) a Warburgova impedance (Zw), které jsou klíčové pro porozumění elektrochemickým procesům a optimalizaci těchto materiálů pro aplikace v oblasti skladování energie.

Odpor přenosu náboje (Rct) představuje odpor, který musí nábojové nosiče překonat během přenosu na rozhraní materiál-elektrolyt. Tento parametr poskytuje informace o kinetice a účinnosti reakcí přenosu náboje. Kapacitance dvojitého elektrody (Cdl) souvisí s kapacitou elektrické dvojité vrstvy, která vzniká na rozhraní materiálu a elektrolytu. Tento ukazatel je důležitý pro posouzení povrchové aktivity materiálu a jeho elektrochemického chování. Warburgova impedance (Zw) je spojena s difuzí nábojových nosičů v materiálu a pomáhá odhalit případná omezení v přenosu hmoty nebo difuzi iontů či elektronů.

Analýza impedance při různých frekvencích umožňuje získat cenné informace o elektrochemických procesech na elektrodách, adsorpčních/desorpčních jevech a difuzních procesech. EIS se tedy používá k detailnímu pochopení kinetiky přenosu náboje, kapacitního chování a difuzivity iontů nebo elektronů v 2D polovodičových materiálech, což je zásadní pro optimalizaci jejich výkonu v aplikacích pro skladování energie, jako jsou baterie, superkondenzátory a palivové články.

Galvanostatické a galvanodynamické techniky jsou dalšími důležitými metodami pro elektrochemickou charakterizaci materiálů. V galvanostatických technikách je aplikován konstantní proud na 2D polovodičový materiál a měřen je odpovídající potenciál v čase. Tento přístup umožňuje určit kapacitu materiálu pro skladování náboje a zkoumat elektrochemické chování materiálu. Pomocí galvanostatických metod mohou výzkumníci získat informace o kapacitě materiálu, což se obvykle vyjadřuje pomocí specifické kapacitance, která udává množství uloženého náboje na jednotku hmotnosti nebo povrchové plochy materiálu. Tato technika je rovněž užitečná pro zkoumání kinetiky přenosu náboje a difuze iontů v materiálu. Analýzou časových křivek potenciálu lze zjistit rychlost ukládání a uvolňování náboje a odhalit případná omezení nebo odpory v těchto procesech.

Galvanodynamické techniky zahrnují aplikaci řízeného profilu proudu, kde je proud měněn v průběhu času podle předem definovaného profilu. Tento přístup umožňuje podrobněji studovat dynamiku nabíjení a difuzi iontů v materiálu. Analýzou výsledného potenciálového odpovědi při různých profilech proudu lze získat podrobnosti o chování 2D-SCM materiálů pod různými proudovými podmínkami. Tento typ experimentu poskytuje informace o dynamice ukládání náboje, kinetice reakcí a difuzních procesech.

Skenerová elektrochemická mikroskopie (SECM) je dalším užitečným nástrojem pro prostorově rozlišené zobrazení elektrochemické aktivity na povrchu 2D polovodičových materiálů. SECM kombinuje principy skenovací mikroskopie s elektrochemickými měřeními a umožňuje mapování místní elektrochemické aktivity a procesů přenosu náboje na povrchu materiálu. V režimu zpětné vazby je mikroelektroda držena na konstantní vzdálenosti od povrchu a měří se elektrochemický proud nebo potenciál v závislosti na pozici elektrody. Tímto způsobem mohou výzkumníci získat informace o kapacitě materiálu pro ukládání náboje a jeho elektrochemickou reaktivitu.

V režimu zobrazování umožňuje SECM generovat prostorově rozlišené obrazy elektrochemické aktivity na povrchu materiálu. Skenerová elektrochemická mikroskopie je tedy klíčová pro studium distribuce reaktivních druhů na povrchu materiálu a pro vyhodnocení vlivu defektů nebo povrchových úprav na elektrochemické vlastnosti materiálů. Tato technika může být kombinována s jinými zobrazovacími metodami, jako je skenovací tunelovací mikroskopie nebo atomární silová mikroskopie, čímž lze získat komplexní informace o vztahu mezi elektrochemickou aktivitou a morfologií povrchu materiálu.

Pochopení a optimalizace elektrochemických vlastností 2D polovodičových materiálů pro skladování energie je komplexní proces, který vyžaduje využití různých analytických technik. Použití EIS, galvanostatických a galvanodynamických metod a skenerové elektrochemické mikroskopie umožňuje výzkumníkům získat podrobné informace o kapacitě, stabilitě, difuzi iontů a elektronů, jakož i o kinetice přenosu náboje. Tyto informace jsou klíčové pro zajištění vysoké účinnosti a dlouhé životnosti materiálů ve skutečných aplikacích.

Jak 2D materiály ovlivňují fotokatalýzu a polovodičové systémy v solárních a vodíkových technologiích

Je důležité si uvědomit, že materiály v 2D formátu často nefungují jako primární fotokatalyzátory nebo fotoelektrody. Přesto byly tyto materiály rozumně využity jako senzibilizační druhy, zprostředkovatelé elektronového toku, ko-katalytické činidla a ochranné vrstvy ve spolupráci s jinými polovodičovými materiály. Prostřednictvím těchto strategických spoluprací dochází ke kombinaci 2D materiálů a polovodičových složek v hybridních architekturách, což vede k synergetickému efektu, který zlepšuje elektronické, optické a fotoelektrochemické (PEC) vlastnosti elektrody 2D/SC.

V současné době je kladeno velké důraz na výzkum nových 2D materiálů, jako je černý fosfor (BP), MXeny a organicko-anorganické perovskity, které v poslední době vzbudily značnou pozornost. Tyto materiály mají širokou škálu specifických morfologických konfigurací, fotokatalytických vlastností a schopnost jemně ladit své energetické mezery. K tomu se přidává charakteristika různých elektronových tras, které vysvětlují, jak regulují mezifázový přenos nábojů a redoxní kinetiku.

(i) Velká specifická povrchová plocha: 2D fotokatalyzátory nabízejí značnou specifickou povrchovou plochu, která poskytuje bohatství vysoce exponovaných aktivních míst. Tato zvýšená povrchová plocha zlepšuje možnosti pro katalytické reakce.

(ii) Krátké transportní cesty: Fotoexcitední díry a elektrony mají kratší cesty k dosažení povrchu fotokatalyzátoru pro reakce. To minimalizuje nežádoucí rekombinaci párů elektron-díra uvnitř materiálu, což je jev, který často omezuje účinnost tradičních 3D fotokatalyzátorů.

(iii) Vylepšená vodivost: 2D fotokatalyzátory vykazují lepší vodivost díky hojnosti povrchových defektů. Tato zlepšená vodivost usnadňuje efektivní přenos nábojů k adsorbentům, což přispívá k lepší katalytické výkonnosti.

V kontextu grafenu a jeho aplikací v fotokatalýze je zásadní porozumět jeho roli jako materiálu s novými vlastnostmi, který vytváří silné kovalentní vazby pro in-plane stabilitu a slabé van der Waalsovy síly. Grafen je hydrofobní materiál, což omezuje jeho účinnost v reakcích štěpení vody. Jeho elektronové funkce při interakci s polovodičovými materiály zahrnují roli akceptora elektronů, transportéra a mediátora v kompozitech s grafenem.

Oxid grafenu a redukovaný oxid grafenu mají unikátní vlastnosti, které je činí vhodnými pro štěpení vody. Polymery grafitového karbonitridu (g-C3N4) získaly značnou vědeckou pozornost díky své tepelné stabilitě, chemické odolnosti a výhodné elektronové struktuře. Při integraci grafenu do nanopartikulárních polovodičů, jako je g-C3N4, lze výrazně zlepšit fotokatalytickou účinnost. Toho lze dosáhnout pomocí metod, jako je interkalace, kdy mezivrstvy ve vrstvených konfiguracích mohou pomoci zvýšit pórovitost a povrchovou plochu, což zlepšuje efektivitu reakce.

Dalšími perspektivními materiály jsou sloučeniny boru, konkrétně boronitrid (BN), který se nachází v různých strukturálních variantách, jako je hexagonální BN, amorfní BN, vzácný wurtzitní BN a kubický BN. Hexagonální boronitrid (h-BN) vykazuje vynikající termální odolnost, vodivost a mechanickou robustnost, což slibuje široké spektrum aplikací, zejména v termoelektrických zařízeních a mikroelektronice. Přestože má h-BN značnou energetickou mezeru přesahující 5 eV, což jej činí nevhodným pro fotokatalýzu, jeho využití v PEC systémech je možné prostřednictvím úpravy jeho vlastností dopováním prvků a funkcionalizací povrchu v kombinaci s dalšími polovodičovými materiály, jako je oxid titanu (TiO2) nebo oxid wolframu (WO3).

Jak využít solární energii v systémech pro ukládání a přeměnu energie?

Vzhledem k rychlému nárůstu světové populace se výrazně zvýšila poptávka po energii, jak pro domácí, tak pro průmyslové účely. Naše planeta je však stále silně závislá na fosilních palivech pro výrobu elektrické energie, což má vážné následky pro životní prostředí v podobě emisí oxidu uhličitého, které jsou hlavním zdrojem znečištění ovzduší a globálního oteplování. Tento problém je jedním z klíčových cílů udržitelného rozvoje OSN, konkrétně SDG 7, který se zaměřuje na zajištění přístupu k dostupné a čisté energii pro všechny, a SDG 13, který vyzývá k činnostem na boj s klimatickými změnami. Proto je nezbytné přejít na obnovitelné a ekologické zdroje energie, což stimuluje pokrok v oblasti pokročilých systémů pro přeměnu a ukládání energie, které využívají zelenou energii.

Sluneční energie je trvale dostupný, ekologický zdroj energie, který by mohl být efektivně využit v aplikacích pro fotokatalytickou přeměnu a ukládání energie. Povrch Země dostává přibližně 100 000 TW sluneční energie za hodinu, což je mnohem více než celková roční spotřeba energie na světě, která činí méně než 20 TW/rok. Vzhledem k těmto obrovským možnostem je klíčové maximalizovat efektivní využívání sluneční energie, kterou lze přeměnit a uložit ve formě elektrické energie. Toho lze dosáhnout přeměnou sluneční energie na elektřinu pomocí solárních článků nebo slunečních paliv, jako je například zelený vodík.

Nicméně, existují určité překážky, které brání širokému využití sluneční energie. Mezi ně patří její přerušovaná povaha, což znamená, že není vždy dostupná, například v noci nebo v zimě. Tato skutečnost vedla vědce k hledání způsobů, jak sluneční energii nejprve přeměnit a poté uložit pro opětovné použití v časech, kdy je potřeba. Systémy pro ukládání sluneční energie, jako jsou solární články, solární superkondenzátory a foto-rechargeable baterie, se objevily jako vynikající alternativy k tradičním systémům ukládání energie.

Společným prvkem těchto systémů je využívání polovodičového nanomateriálu (např. TiO2) jako fotoaktivní elektrody. TiO2 je jedním z nejběžnějších polovodičů, ale jeho široký zakázaný pás energie omezuje jeho účinnost pouze na UV záření, které představuje pouze 4 % slunečního záření. Proto je využívání polovodičů, které jsou schopné reagovat na viditelné světlo, velmi slibným přístupem k efektivnějšímu využívání širšího spektra sluneční energie.

Díky své vysoké povrchové ploše a nastavitelné optické a elektronické vlastnosti se 2D polovodičové nanomateriály, jako jsou metal-organické rámce (MOFs), metalové sulfidové sloučeniny (např. MoS2 a ZnIn2S4) a polovodiče bez kovu (např. g-C3N4), ukázaly jako vynikající fotokatalyzátory a fotoaktivní materiály v těchto hybridních systémech pro ukládání a přeměnu energie. Tyto materiály, včetně jejich struktury a energetických pásů, jsou ideální pro široké spektrum aplikací v oblasti optoelektroniky a fotoniky, včetně fotovoltaických článků, LED diod, optických vláken a termografických snímačů.

Je důležité si uvědomit, že vývoj těchto systémů nejen pomáhá snižovat naši závislost na fosilních palivech, ale také přispívá k ochraně životního prostředí a dosažení cílů udržitelného rozvoje. Pokrok v oblasti solárních článků, fotovoltaických superkondenzátorů a dobíjecích baterií je klíčový pro budoucnost energetiky a pro stabilní přechod k čistým a obnovitelným zdrojům energie.