Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) hat kürzlich neue Fortschritte bei der Untersuchung von MXen-Materialien für die Energiespeicherung erzielt. Durch den Einsatz des In-situ-Rastertransmissions-Röntgenmikroskops „MYSTIIC“ an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II konnten sie erstmals auf der Ebene einzelner MXen-Schichten detailliert die chemischen Prozesse der Ladungsspeicherung beobachten und so das vielseitige Potenzial dieses Materials für Energiespeicheranwendungen aufzeigen. Die zugehörigen Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Energy & Environmental Science“ veröffentlicht.
Für eine klimaneutrale und effiziente Energieversorgung auf Basis erneuerbarer Energien sind Energiespeichertechnologien von entscheidender Bedeutung. Die aktuellen Technologien haben jeweils ihre eigenen Merkmale: Beispielsweise können Batterien große Energiemengen speichern, benötigen aber lange Ladezeiten, während Doppelschichtkondensatoren zwar schnell laden, aber nur eine begrenzte Speicherkapazität aufweisen. Pseudokondensatoren versprechen durch ladungsübertragende Prozesse auf Basis chemischer Veränderungen sowohl hohe Speicherkapazität als auch schnelles Laden und Entladen, doch bisher fehlten ideale Materialien mit den gewünschten Eigenschaften.
MXene, zweidimensionale Schichtmaterialien (wie z.B. Titancarbid), besitzen einen leitfähigen Kern und eine hochreaktive Oberfläche mit Schichtabständen von nur wenigen Nanometern und gelten daher als vielversprechende Kandidaten für neuartige Energiespeichermaterialien. Über wässrige Elektrolyte können Protonen oder Lithiumionen als Ladungsträger in die Zwischenräume der MXen-Schichten eingelagert werden und mit den funktionellen Gruppen an der Titanatom-Oberfläche Redoxreaktionen eingehen.
Bisherige Studien basierten größtenteils auf großskaligen Proben, die Tausende von gestapelten Schichten umfassten. Unter der Leitung von Dr. Tristan Petit hat das Team nun erstmals mithilfe eines Weichröntgenmikroskops experimentell die chemischen Veränderungen während des Ionen-Speicherprozesses auf der Ebene einzelner Schichten beobachtet.
Die Erstautorin der Studie, Namrata Sharma, erklärt: „Wir haben festgestellt, dass die Art der im Elektrolyt enthaltenen Ionen zu signifikanten Unterschieden im chemischen Verhalten des Materials führt.“ Die Forschenden beobachteten, dass Protonen den Oxidationszustand der Titanatome verringern, während die Einlagerung von Lithiumionen diesen erhöht.
Dr. Petit weist darauf hin: „Dies stellt die konventionelle Ansicht in Frage, dass MXen-Materialien in neutralen wässrigen Elektrolyten lediglich als Doppelschichtkondensatoren (EDLC) fungieren. Ihre Mechanismen sind komplexer und damit auch interessanter für die Forschung. Diese Erkenntnisse helfen uns, neue Anwendungen für MXen-Materialien im Bereich der Energiespeicherung zu entwickeln, beispielsweise für den Aufbau von Pseudokondensatoren.“ Diese Studie legt eine Grundlage für das Verständnis von Ladungsübertragungsprozessen auf der Nanoskala und liefert auch eine Basis für die zukünftige Optimierung von MXen-Materialien in Energiespeichervorrichtungen wie Pseudokondensatoren.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Namrata Sharma et al., Titel: „Nanoscale Chemical Imaging of Pseudocapacitive Charge Storage in MXenes“, erschienen in: „Energy & Environmental Science“ (2026). Zeitschrifteninfo: „Energy & Environmental Science“
