Investigadores de la UCL han creado nanocintas de fósforo con aleaciones de arsénico que aumentan la eficiencia de baterías y células solares. Estas nanocintas conducen la electricidad de manera más eficiente y ofrecen aplicaciones potenciales en computación cuántica y almacenamiento de energía, lo que promete una producción escalable y rentable.
Investigadores del University College de Londres han desarrollado cintas de un átomo de espesor compuestas de una aleación de fósforo y arsénico. Este material innovador tiene el potencial de mejorar significativamente el rendimiento de varios dispositivos, incluidas baterías, supercondensadores y células solares.
El equipo de investigación descubrió nanocintas de fósforo en 2019. El “material maravilloso”, que se prevé revolucionará dispositivos que van desde baterías hasta sensores biomédicos, se ha utilizado desde entonces para aumentar la vida útil de las baterías de iones de litio y la eficiencia de las células solares.
Sin embargo, los materiales que contienen únicamente fósforo no conducen muy bien la electricidad, lo que dificulta su uso en determinadas aplicaciones.
Mejoras en arsénico
En el nuevo estudio, publicado en el Journal of the American Chemical Society, los investigadores crearon nanocintas hechas de fósforo y pequeñas cantidades de arsénico, que descubrieron que eran capaces de conducir electricidad a temperaturas superiores a -140°C, manteniendo al mismo tiempo sus propiedades altamente útiles. de las cintas solo fósforo.
Crédito: Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c03230
Adam Clancy (Química de la UCL), autor principal, dijo: “Los primeros trabajos experimentales ya han demostrado la notable promesa de las nanocintas de fósforo, creadas por primera vez por nuestro equipo de la UCL en 2019. En 2021, por ejemplo, se demostró que agregar nanocintas como La capa para células solares de perovskita permitió a las células aprovechar más energía del Sol.
“Nuestro último trabajo sobre la aleación de nanocintas de fósforo con arsénico abre nuevas posibilidades, en particular, mejorar el almacenamiento de energía de baterías y supercondensadores, y mejorar los detectores de infrarrojo cercano utilizados en medicina.
“Las cintas de arsénico y fósforo también resultaron ser magnéticas, lo que creemos que proviene de átomos a lo largo del borde, lo que las hace potencialmente interesantes también para las computadoras cuánticas.
«En términos más generales, el estudio muestra que la aleación es una poderosa herramienta para controlar las propiedades y, por tanto, las aplicaciones y el potencial de esta creciente familia de nanomateriales». Los investigadores afirman que la misma técnica podría utilizarse para fabricar aleaciones combinando fósforo con otros elementos, como el selenio o el germanio.
Para usarse como material anódico en baterías de iones de litio o de iones de sodio, las nanocintas de fósforo actualmente necesitarían mezclarse con un material conductor como el carbono. Al agregar arsénico, el relleno de carbón ya no es necesario y se puede eliminar, lo que aumenta la cantidad de energía que la batería puede almacenar y la velocidad a la que se puede cargar y descargar.
Mientras tanto, en las células solares, las nanocintas de arsénico y fósforo pueden mejorar aún más el flujo de carga a través de los dispositivos, aumentando la eficiencia de la célula.
Proceso de producción y propiedades.
Las cintas de arsénico y fósforo creadas por el equipo de investigación tenían normalmente unas pocas capas de alto, varios micrómetros de largo y decenas de nanómetros de ancho. Se hicieron mezclando cristales formados a partir de hojas de fósforo y arsénico con litio disuelto en amoníaco líquido a -50 grados C. (Después de 24 horas, el amoníaco se elimina y se reemplaza con un solvente orgánico). La estructura atómica de las hojas significa Litio. Los iones sólo pueden viajar en una dirección, no hacia los lados, lo que provoca grietas que crean las cintas.
Una característica clave de las nanocintas es que también tienen una «movilidad de agujeros» extremadamente alta. Los agujeros son los compañeros opuestos de los electrones en el transporte eléctrico, por lo que mejorar su movilidad (una medida de qué tan rápido se mueven a través del material) ayuda a que la corriente eléctrica se mueva de manera más eficiente.
Las nanocintas podrían producirse a escala en un líquido que luego podría usarse para implementarlas en volumen a bajo costo para diferentes aplicaciones.
Las nanocintas de fósforo fueron descubiertas en la UCL por un equipo interdisciplinario dirigido por el profesor Chris Howard (Física y Astronomía de la UCL). Desde el aislamiento de láminas bidimensionales de fosforeno en 2014, más de 100 estudios teóricos han predicho nuevas y interesantes propiedades que podrían surgir a través de la producción de cintas estrechas de este material.
Referencia: “Producción de nanocintas magnéticas de aleación de arsénico y fósforo con bandas prohibidas pequeñas y conductividades de orificios altas” por Feng Fei Zhang, Eva Aw, Alexander G. Eaton, Rebecca RC Shutt, Juhwan Lim, Jung Ho Kim, Thomas J.Macdonald, Cesar III DL Reyes, Arjun Ashoka, Raj Pandya, Oliver D. Payton, Loren Picco, Caroline E. Knapp, Furio Corà, Akshay Rao, Christopher A. Howard y Adam J. Clancy, 8 de agosto de 2023. Revista de la Sociedad Química Estadounidense.
DOI: 10.1021/jacs.3c03230
