Szklane fosforany i szkło-ceramika: materiały przyszłości dla zaawansowanych baterii i katalizatorów

Zrozumienie struktury szkła i interakcji między elementami strukturalnymi tych materiałów jest kluczowe dla rozwoju nowych, bardziej efektywnych i tańszych baterii sodowo-jonowych oraz nowych katalizatorów.

Zagrzeb, 21 czerwca 2024 – Szkło, które na pierwszy rzut oka może wydawać się zwykłym materiałem, ma długą historię i ważną rolę w naszym życiu jako jeden z najstarszych produkowanych materiałów. Jest nieodzowną częścią codziennego życia, a dzięki swoim unikalnym właściwościom jest przedmiotem intensywnych badań naukowców na całym świecie. Badając szklane fosforany i szkło-ceramikę, naukowcy z Instytutu Ruđera Boškovića (IRB) odkryli, jak poprzez dostosowanie właściwości można zwiększyć ich potencjał dla zaawansowanych technologicznych zastosowań w projektowaniu lepszych materiałów dla baterii nowej generacji i katalizatorów.

Potencjał szklanych fosforanów

Szklane fosforany są szczególnie interesujące ze względu na swoją zdolność do przewodzenia prądu, co czyni je idealnymi do zastosowania w czujnikach i bateriach. Badania naukowców z IRB wykazały, że zmieniając skład szkła, mogą znacząco poprawić jego zdolność do przewodzenia prądu. Zjawisko to pozwala naukowcom na wytwarzanie nowych szkieł o lepszych właściwościach do wykorzystania w bateriach sodowo-jonowych, które są tańszą i bardziej dostępną alternatywą dla baterii litowo-jonowych.

Zwiększona przewodność elektryczna dla zaawansowanych baterii

Ale jak dokładnie szkło, które zazwyczaj uważamy za materiał nieprzewodzący, jest w stanie przewodzić prąd? W laboratoriach takich jak Laboratorium Materiałów Funkcjonalnych na IRB, badacze zagłębiają się w świat szklanych fosforanów i szkło-ceramiki.

Sara Marijan, doktorantka Chorwackiej Fundacji Nauki (HrZZ) i asystentka naukowa w Laboratorium Materiałów Funkcjonalnych, pod kierunkiem dr. sc. Luka Pavića i dr hab. Jana Pisk z Wydziału Przyrodniczo-Matematycznego Uniwersytetu w Zagrzebiu (PMF), koncentruje się na specjalnych wielokomponentowych systemach szklanych. Jest to szkło składające się z czterech różnych rodzajów tlenków w swojej podstawowej formulacji. Takie wielokomponentowe systemy pozwalają na bardziej złożoną kontrolę nad właściwościami optycznymi, mechanicznymi i elektrycznymi szkła, dzięki połączeniu różnych tlenków, które razem mogą tworzyć mieszane sieci szklane, tym samym poprawiając badane właściwości.

Szklane systemy są zaprojektowane do zastosowania w bateriach sodowo-jonowych, będąc kombinacją tlenku sodu i trzech tworzących szkło tlenków. Klasyczne tworzące szkło, pentoksydu fosforu i niobu, są obecne w większej ilości, podczas gdy pentoksyd wanadu jest dodawany jako trzeci, mniejszościowy, warunkowy tworzący szkło. Dodatek pentoksydu wanadu jest szczególnie interesujący, ponieważ może pełnić podwójną rolę: modyfikować strukturę szkła i przyczyniać się do całkowitej przewodności elektrycznej.

''To, co czyni te materiały tak wyjątkowymi, to ich zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego podwójnym mechanizmem. Szkła, które badamy w naszym laboratorium, zawierające tlenek sodu i pentoksyd wanadu, mogą przewodzić prąd elektryczny poprzez ruch jonów sodu przez sieć szklaną, a także poprzez przeskok elektronów z jednego jonu wanadu na drugi. Taki podwójny mechanizm przewodnictwa może prowadzić do lepszej wydajności ładowania i rozładowania baterii'', wyjaśnia Sara Marijan.

W badaniach przeprowadzonych niedawno przez naukowców z IRB, we współpracy z dr hab. Janem Pisk i dr hab. Željko Skokom z PMF oraz prof. Peterem Mošnerem i prof. Ladislavem Koudelką z Wydziału Technologii Chemicznej Uniwersytetu Pardubice, eksperymentowano z dodawaniem różnych ilości pentoksydu wanadu i niobu do tych wielokomponentowych szklanych fosforanowych systemów, aby sprawdzić, jak to zmienia zdolność szkła do przewodzenia prądu. Odkryto, że dodatek pentoksydu niobu stymuluje szybszy ruch jonów sodu przez szkło, znacznie zwiększając przewodność szkła.

Wpływ niobu

W miarę jak wprowadza się więcej niobu, struktura szkła przechodzi w hybrydę niobatów i fosforanów. Ta zmiana jest kluczowa, ponieważ szkło osiąga swoją optymalną przewodność, szczególnie gdy zawartość niobu wynosi około 20%. Jednakże, jeśli niobu jest zbyt dużo, tworzą się klastry niobatów, które spowalniają ruch jonów sodu przez strukturę szkła. Dlatego kluczowe jest zrozumienie delikatnej równowagi udziału tych komponentów, aby znaleźć optymalną kompozycję.

''Wykorzystując zaawansowane techniki, takie jak elektronowa rezonans paramagnetyczny oraz wibracyjna i impedancyjna spektroskopia, zauważyliśmy, że zmiany strukturalne prowadzą do zwiększenia wydajności szkła, szczególnie przy zawartości niobu około 20%, gdzie przewodność była najwyższa. To szczegółowe badanie pomogło nam odkryć, że do pewnego momentu dodatek niobu może być korzystny, ale poza tym może zakłócać właściwości elektryczne materiału'', wyjaśnia Sara Marijan.

Właściwości katalityczne szkła

''Oprócz rozwoju syntezy szkieł i szkło-ceramik oraz korelacji ich właściwości termicznych i elektrycznych z cechami strukturalnymi, nowy kierunek, który otworzyliśmy we współpracy z dr hab. Janem Pisk z PMF w ramach doktoratu Sary, to badanie tych materiałów jako katalizatorów. Zaskakujące jest, że nie ma dostępnych wielu badań na ten temat, mimo że szklane fosforany i szkło-ceramika wykazały potencjał jako katalizatory w reakcjach chemicznych, takich jak epoksydacja, co otwiera nowe możliwości ich zastosowania'', podkreśla mentor dr sc. Luka Pavić, jeden z kierowników badań.

''Badając możliwości szkła jako katalizatora, odkryliśmy, że szkła o wysokiej zawartości tlenku wanadu wykazują doskonałą aktywność katalityczną i selektywność w reakcjach katalitycznych'', wyjaśnia Sara Marijan.

Warto podkreślić, że wyjściowy materiał można regenerować i ponownie używać, zachowując efektywność w kolejnym cyklu katalitycznym. Co więcej, te szkła można przygotować prostym procesem, który zapewnia powtarzalność i ułatwia przygotowanie tych materiałów na większą skalę, co jest szczególnie istotne dla zastosowania w katalizie na skalę przemysłową.

Znaczenie badań

''Takie badania są ważne, ponieważ zrozumienie, jak różne tlenki łączą się ze sobą w strukturze szkła, otwiera możliwości rozwoju nowych rodzajów baterii sodowo-jonowych, które mogą być bardziej efektywne i opłacalne niż obecne opcje litowo-jonowe'', podsumowali naukowcy.

Ponadto, te badania potwierdziły wielofunkcyjność szklanych fosforanów i szkło-ceramiki. Dodatkowo wykazały, że właściwości elektryczne i katalityczne są ściśle związane z cechami strukturalnymi szkła, co umożliwia dalsze dostosowanie i optymalizację do specyficznych zastosowań.

W swoich badaniach zespół wykorzystał zaawansowane techniki, takie jak spektroskopia Ramana i podczerwieni, spektroskopia impedancyjna ciała stałego oraz chromatografia gazowa, aby dokładniej zbadać strukturę szkła i jej korelację z właściwościami elektrycznymi i katalitycznymi. Metody te ujawniły, że proste zmiany w składzie mogą bezpośrednio wpływać na zdolność szkła do przewodzenia prądu i znacznie zwiększać jego przewodność, a także osiągać wysoką aktywność katalityczną.

Wyniki badań nad szklanymi fosforanami i szkło-ceramiką naukowców z Laboratorium Materiałów Funkcjonalnych zostały opublikowane w kilku czasopismach naukowych: Journal of Physics and Chemistry of Solids, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, Journal of Non-Crystalline Solids oraz International Journal of Molecular Sciences. Badania były wspierane w ramach projektów Chorwackiej Fundacji Nauki i Fundacji HAZU.