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显微技术的进步揭示了水在储能材料中意想不到的作用
发布:s0208_2016   时间:2018/7/12 16:30:02   阅读:274 
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原子力显微镜显示,由于离子插层导致氧化钨中的结构水产生较小的变形率,对结构水作用的意外发现,能够使材料具有更高功率和更高效率的储能装置。
来源:Credit: Veronica Augustyn, NC State University
 
一种带有水原子薄层的材料具有储能技术前景,并且现在,研究人员已经发现,水的作用比任何人预期的都要大。由于一种新的原子力显微镜(AFM)方法,这种发现是有可能的,该方法可以测量材料中亚纳米级的变形率,以此来反应储能引起的材料变化。
 
研究人员研究了二水氧化钨化合物,它是由水原子薄层分离的结晶氧化钨层组成。人们对这种材料有兴趣的原因是,因为它拥有快速、高效地储存和释放能量的潜力。然而,目前尚不清楚水在这一过程中发挥的作用是什么。
 
为了解决这个问题,来自北卡罗莱纳州立大学、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。这项新技术依靠原子力显微镜对材料在原子尺度上的膨胀和收缩进行实时性地跟踪,当恒电位器电子设备将电荷输入和输出材料时。这一技术允许研究小组能够在电荷通过材料时,探测到材料的微小变形。
 
“我们测试了结晶二水氧化钨和不含有水原子层的结晶氧化钨,”NC州立大学材料科学和工程助理教授维罗妮卡·奥古斯丁(Veronica Augustyn)说,他也是该研究论文的相应作者。“并且,我们还发现,水原子层似乎对材料储能产生机械反应的方式起着重要作用。”
 
“具体来说,我们发现水原子层起到两个作用,”Ruocun“John”Wang说,他是奥古斯丁实验室的博士生,也是论文的主要作者。“第一,水原子层最大限度地减少了变形,意味着有水原子层存在时,当离子进出材料时,材料膨胀和收缩较少。第二,水原子层使变形更加可逆化,这意味着材料更容易回到原来的尺寸。“
 
Augustyn 说:“实际上,这意味着含有水原子层的材料储存电荷的效率更高,损失的能量更少。”
 
这篇题目为“操作原子力显微镜显示结构水驱动电容电池转变的技术” 的论文发表在《ACS Nano》的期刊上。这篇论文由NC州的James Mitchell and Shelby Boyd 、ORNL的Qiang Gao, Wan-Yu Tsai and Nina Balke以及得克萨斯州A&M的 Matt Pharr 共同撰写。这项工作是在国家科学基金1653827和571800以及ORAU Ralph E. Powe 初级能力增强奖金的资助下完成的,并且也得到了来自于纳米材料科学中心的支持,该中心是一个科学用户设施和流体界面反应的DOE办公室、结构和传输(第一)中心、以及由美国能源部、科学办公室、基础能源科学办公室共同创建的能源前沿研究中心。
 
来源:North Carolina State University. 
注意:内容或许根据样式和长度进行了编辑。
译者:iron-man
译自:sciencedaily
 
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