纳米尺度领域的专家们已经发明了一种新一代能量存储材料吗？通过操纵比人类头发横截面还小数万倍的分子，纳米尺度研究专家们发现了一种“绿色简约”的方式来连接储存电荷的分子，可能为新的可持续电池材料铺平了道路。他们在纳米尺度领域工作时，成功地将单独的聚氧化金属（POM）分子连接到电极，并证明了设备中多达90%的分子可以与宏观世界进行电子交换。该研究团队来自英国和德国，在诺丁汉大学可持续化学碳中立实验室的达伦·沃尔什博士和格雷厄姆·牛顿博士以及化学学院的安德烈·赫洛比斯托夫教授带领下进行了研究。他们的发现《基于聚氧化金属和单壁碳纳米管自组装的宿主-客体混合氧化还原材料》今天在专注于材料科学最前沿发展的期刊《先进材料》上发表。电池、计算机、燃料电池等许多设备的未来取决于我们将电子输送到分子中的能力，这是存储电荷、信息或催化化学反应的必要功能。在理想的设备中，每个分子都必须被硬线连接到电路中，以便所有分子都能执行有用的工作。纳米管中的聚氧化金属。该团队利用碳纳米管，这是一种原子薄空心碳圆柱，直径在分子尺度（1-2纳米）上，长度在宏观尺度（长达几毫米）上。科学家们选择通用的聚氧化金属分子，因为每种分子都可以可逆地接收多达6个电子。然而，聚氧化金属是易受各种外部因素影响的脆弱分子。一位名为杰克·乔丹的博士生在进行此项工作。他说：“我们在此领域取得了重大突破，因为我们决定不仅仅将POM分子沉积在纳米管上，这是一种常规方法，而是将它们困在纳米管内。一旦进入纳米管，分子就会稳固地保持在原位，并受到原子薄的纳米管壁保护，就像一套铠甲一样。”这使科学家们将POM在电化学充放电周期中的稳定性提高了50倍，相比之下未受保护的分子要低得多。可持续的电能存储未来？通过对封装POM的纳米管施加的电压进行循环，科学家们成功地模拟了电池内部发生的过程，显示几乎所有分子都积极参与了由纳米管向硬线连接的分子进行的高效电子传递所促进的充电-放电。物理化学副教授达伦·沃尔什表示：“这种利用纳米管的电导率和聚氧化金属的氧化还原活性的新型混合材料，显示出为目前使用的电池提供更可持续替代品的潜力。”研究团队还做出了令人惊讶的发现。聚氧化金属分子被纳米管吸引并自发、不可逆地进入纳米管腔，而且在室温下只需使用水。无机与材料化学助理教授牛顿博士说：“起初，分子在微小纳米尺度通道中的自发和极其高效地包裹似乎像是魔法，违反了自然法则；然而，我们最终发现，纳米管并不只是一个被动旁观者，而是一个积极参与者，在囊封之前向聚氧化金属分子释放了部分自身电子。我们最终得到了一个负电荷分子链紧紧困在一个正电荷纳米管内的结构。”绿色简约一旦POM和纳米管在溶液中交换电子，它们就会变得带有相反电荷，为包裹提供了驱动力。杰克·乔丹说：“这种杰出材料的制备过程非常简单和‘绿色’，这在当今的化学事业中越来越成为一个重要标准。”牛顿博士说：“我们在这项研究中使用了基于钨的聚氧化金属作为测试系统，以发现纳米尺度自组装和限制的基本原则，并探索纳米封装作为提高这些具有氧化还原活性分子性能和耐久性的方法。我们下一个挑战是转向基于更轻元素（如钒）的分子，它们有潜力使这些混合材料在存储电能和其他工业应用方面具有商业价值。关于诺丁汉大学。根据2024年QS世界大学排名：欧洲，诺丁汉大学在欧洲排名第32位，在英国排名第16位，是研究密集型大学协作组织“罗素集团”的创始成员之一。在诺丁汉大学学习是一种改变生活的经历，我们以释放学生潜能而自豪。我们秉承着创新精神，体现在我们创始人杰西·布特爵士的愿景中，这使我们在建立中国和马来西亚校园方面走在前列，构建了一个全球连接的教育、研究和产业参与网络。根据《泰晤士报》和《星期日泰晤士报》2024年的好大学指南，“诺丁汉被评为2024年度体育大学” - 这是自2018年以来的第三次获此殊荣，也是《每日邮报》2024年大学指南的荣誉。根据2021年REF报告，我们是英国研究力量第七强的最佳大学之一。发现MRI和布洛芬等创新技术的诞生地，我们的创新改变生活，解决可持续食品供应、终结现代奴役、发展更环保交通、减少对化石燃料的依赖等全球问题。作为主要雇主和产业伙伴，我们的毕业生是英国顶级雇主第二受欢迎的对象，根据High Fliers Research 2022年的毕业生就业市场报告。我们主导着诺丁汉大学计划，与诺丁汉特伦特大学合作，这是该城市两个世界级机构之间的一项开创性合作，旨在提高该城市及我们自豪称之为家的地区居民的繁荣、机会、可持续性、健康和幸福水平。在纳米尺度领域的专家们发明了新一代的能量存储材料吗？
通过操纵比人类头发横截面还小数万倍的分子，纳米尺度研究的专家们发现了一种“绿色简便”的连接充电分子方法，可能为新型可持续电池材料铺平道路。
他们在无法看见的纳米尺度上进行工作，成功地将个别聚氧化金属酸酯（POM）分子布线到电极上，并证明设备中高达90%的分子可以与我们所见到的宏观世界交换电子。
来自英国和德国的研究团队由诺丁汉大学碳中和可持续化学实验室的戴伦·沃尔什博士和格雷厄姆·牛顿博士以及化学学院的安德烈·赫洛比斯托夫教授带领。他们在《先进材料》期刊上发表了这一发现。
电池、计算机、燃料电池和许多其他设备的未来取决于我们能否将电子从分子中传输出去再传输回来，这是储存电荷、信息或催化化学反应的必要功能。在理想的设备中，每个分子都必须被硬连接到电路中，以便所有分子都能发挥实质作用。
纳米管中的POMs
团队利用了碳纳米管 - 直径在分子尺度（1-2 nm）上，长度在宏观尺度（多达几毫米）上的原子薄空心碳圆柱体。
科学家选用了多功能的POM分子，每个分子可以可逆地接受多达6个电子。然而，POMs是易受外部因素影响而容易受损的分子。研究生杰克·乔丹在持续化学EPSRC CDT中从事了这项工作。他表示：“我们在这一领域取得了实质性突破，因为我们决定不只是将POM分子沉积到纳米管上，这是一种常规做法，而是将它们困在纳米管腔内。一旦进入纳米管，分子就会被稳固地固定，并且被像一套盔甲一样的原子薄纳米管壁保护。”
这使科学家增加了POMs在电化学充电-放电循环环中的稳定性，相比未受保护的分子，因子提高了50倍。
对电能存储领域的可持续未来
通过在封装POMs的纳米管上施加电压来模拟电池内部发生的过程，科学家能够展现几乎所有分子都积极参与由纳米管向硬连接分子传输电子所促成的充放电过程。物理化学副教授达伦·沃尔什表示：“这种结合了纳米管的电导性和POMs的氧化还原活性的新型混合材料显示出在电能存储设备领域有潜力，可能提供更可持续的替代方案来替代我们当前使用的电池。”
研究团队还发现了一个惊人的发现。POM分子被纳米管吸引并自发地、不可逆地进入纳米管腔，在室温下仅使用水。
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