Molekyler av det viktiga metalliska grundämnet niob kan användas som molekylära byggstenar för att designa elektrokemiska material, till exempel för energilagring. Mark Rambaran, Kemiska institutionen vid Umeå universitet, presenterar i sin avhandling en metod för att framställa fasta material från niobmolekyler i nanostorlek.
– Dessa polyoxoniobater är vattenlösliga och kan lätt syntetiseras i stora mängder. De fungerar som molekylära byggstenar, på samma sätt som när ett barn staplar legoklossar, säger han. På så vis kan de användas för att tillverka ett brett spektrum av material, bland annat superkondensatorer som underlättar litiumjonlagring.
Polyoxoniobater kan syntetiseras med mikrovågsstrålning eftersom det är ett snabbt och effektivt alternativ till konventionella hydrotermiska metoder, visar Mark Rambaran i sin avhandling.
– De kan tillverkas på 15 minuter med hjälp av mikrovågsbestrålning, vilket är mycket kortare tid än de 18 timmar som krävs med tidigare hydrotermiska metoder, säger han.
De nanometerstora molekylerna kan lösas upp i vatten och spinnbeläggas till tunna filmer av till exempel niobpentoxid. När dessa filmer värms upp till temperaturer mellan 200 och 1 200 °C får man ytor med varierande korrosionsbeständighet och elektrokemiska egenskaper.
Vid högre temperaturer blir filmerna kristallina och tål mycket basiska förhållanden – och de är resistenta mot syror. Detta tillvägagångssätt underlättar deponering av alkalifria, tunna metalloxidfilmer med varierande kristallinitet, tjocklek och grovhet.
– Denna förmåga att skapa tunna filmer av niobpentoxid gör det lättare att testa pseudokapacitiva egenskaper, vilket underlättar utvecklingen av elektrokemiska energilagringsenheter, till exempel superkondensatorer”, säger Mark Rambaran.
På grund av hur atomerna fördelar sig i den kristallina niobpentoxiden skapas kanaler som lätt kan lagra och släppa litiumjoner i mer än hundra tusen cykler. Det är detta som gör den till en superkondensator, och den erbjuder elektrokemisk energilagring som potentiellt kan ersätta ett typiskt litiumjonbatteri.
Litiumjonbatterier tenderar att ha begränsad laddningslagringskapacitet och långa laddnings- och urladdningstider på 10 minuter eller mer, medan superkondensatorer har laddningstider på så lite som 10 sekunder. Förmågan att snabbt ladda och ladda ur gör att superkondensatorer kan tillhandahålla energi mycket snabbt och effektivt. Användningen av vattenlösliga polyoxoniobater erbjuder dessutom en okomplicerad och ofarlig metod för att skapa tunna metalloxidskikt, vilket förhindrar användningen av skadliga startmaterial som niobpentaklorid och niobiumpentafluorid.
– Intresset för att utveckla nya material för energilagring styrs av behovet av att mildra klimatförändringarna – det största och mest akuta hotet mot mänskligheten och biosfären. För att göra detta krävs förbättringar i tillverkningen av solceller/bränsleceller och batterier för att öka deras elektrokemiska energilagringsförmåga, samtidigt som de förblir miljövänliga, säger Mark Rambaran.
Forskning inriktad på att utveckla elektrokemiska energilagringsanordningar eller material som överträffar litiumjonbatteriers nuvarande kapacitet är därför avgörande. Superkondensatorer anses vara lämpliga kandidater för att konkurrera med, om inte ersätta, litiumjonbatterier när det gäller elektrokemisk energilagring. Superkondensatorer används för närvarande bland annat i elbilar, elhybridfordon, spårvagnar, tåg, konsumentelektronik och många fler applikationer.
Om avhandlingen
en 23 september försvarar Mark Rambaran, Kemiska institutionen, Umeå universitet, sin doktorsavhandling med titeln Tunable surfaces: Using polyoxoniobates and -tantalates as molecular building blocks. Svensk titel: Avstämbara ytor: Användning av polyoxoniobater och -tantaleter som molekylära byggstenar. Disputationen äger rum i Lilla hörsalen, KBC-huset, Umeå universitet. Fakultetsopponent är Mari-Ann Einarsrud, professor, Institutionen för materialvetenskap och teknik, Norges tekniska universitet, Norge.
