Radiasi sinkrotron memberikan wawasan tentang bagian dalam perangkat penyimpanan energi modern: para peneliti di Montanuniversität Leoben telah menggunakan radiasi sinkrotron untuk mengungkap interaksi sentral dalam superkapasitor dan secara tepat menggambarkan pengaruhnya terhadap pengangkutan pembawa muatan selama pengoperasian – sebuah temuan yang membuka jalan bagi perangkat penyimpanan energi yang lebih kuat dan bahkan dapat berkontribusi pada penghapusan bahan kimia abadi dari air. Bahan elektroda yang digunakan terdiri dari kelas bahan kerangka logam-organik (MOFs), yang pengembangannya dianugerahi Hadiah Nobel Kimia tahun ini.
Memahami penyimpanan energi masa depan secara detail
Transisi energi memerlukan teknologi penyimpanan yang cepat, efisien, berkelanjutan, dan tahan lama. Superkapasitor memenuhi banyak persyaratan berikut: Mengisi daya dalam hitungan detik, tahan terhadap jutaan siklus pengisian daya, dan mengelola sepenuhnya tanpa bahan mentah yang langka. Namun, cara kerja mereka adalah sebuah teka-teki kompleks yang sejauh ini hanya dipahami sebagian. Penelitian dari Leoben kini telah menambahkan bagian penting pada teka-teki ini.
Pekerjaan tersebut dilakukan sebagai bagian dari disertasi penulis pertama Malina Seyffertitz di Departemen Fisika Universitas Leoben bekerja sama dengan Universitas Cambridge ternama di Inggris. “Kami ingin memahami secara rinci apa yang terjadi di dalam superkapasitor selama pengisian dan pengosongan dan bagaimana ion berperilaku sebagai pembawa muatan di pori-pori elektroda berukuran nanometer,” jelasnya. pembimbing Prof Oskar Paris.
Pandangan jelas berkat radiasi sinkrotron dan material model
Untuk menyelidiki pergerakan ion dalam elektroda “operando” (yaitu secara real time), tim menggunakan radiasi sinar-X ultra-brilian di tiga fasilitas penelitian besar Eropa di Trieste, Grenoble dan Hamburg. Platform eksperimental yang dikembangkan dan sekarang didirikan di Leoben juga dapat ditransfer ke sistem elektrokimia lain di masa depan.
Bahan model yang digunakan untuk elektroda adalah bahan peraih Nobel Kimia tahun ini, yaitu kerangka logam-organik (MOFs), yang disintesis oleh mitra kerja sama di Cambridge. Struktur Kementerian Keuangan yang sangat tertata memudahkan evaluasi dan interpretasi data serta memungkinkan penarikan kesimpulan langsung mengenai mekanisme yang mendasari penyimpanan energi yang kompleks.
Penemuan utama: anion yang terikat erat
Dengan kombinasi material yang dibuat khusus dan teknologi pengukuran canggih, proses pengisian dan pengosongan dapat dilacak pada tingkat atom secara real-time. Pengukuran menunjukkan: Anion yang mengandung fluor berikatan erat dengan gugus yang mengandung nitrogen di dalam pori-pori kecil MOF. Partikel-partikel yang “berlabuh” ini tetap tidak bergerak bahkan ketika voltase berubah, meninggalkan kation bergerak yang tersisa untuk melakukan semua penyeimbangan muatan. Untuk pertama kalinya, hal ini juga secara langsung menjelaskan mengapa sistem ini sering kali didominasi kation dan bagaimana mekanisme muatan dapat dipengaruhi secara spesifik.
Mulai dari materi model hingga aplikasinya
Pemahaman yang lebih mendalam tentang pergerakan ion memberikan dasar berharga untuk mengembangkan superkapasitor dengan cara yang lebih tepat sasaran. Tim Leoben telah berupaya untuk mentransfer mekanisme yang diamati ke material karbon yang berkelanjutan dan lebih hemat biaya.
Selain itu, interaksi spesifik yang ditemukan dapat membuka perspektif baru dalam penerapan lingkungan, misalnya dalam penghapusan polutan yang bertahan lama seperti PFAS (“bahan kimia abadi”) dari air.
Kajian interdisipliner ini dilakukan atas kerja sama antara Ketua Fisika dan Departemen Ilmu Material di Universitas Leoben, serta Universitas Cambridge dan Universitas Teknologi Graz. Data diukur pada sumber radiasi sinkrotron ELETTRA di Trieste, ESRF di Grenoble dan PETRA III di Hamburg. Karya ini diterbitkan di Nature Communications dan tersedia online di: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63772-w
