나노 스페이스에 갇히고 강하게 묶인 화학 종은 정상적으로 관찰되지 않는 비정상적인 물리적 특성을 나타내는 것으로 알려져 있습니다 도쿄 대학교 (University of Engineering of Engineering)의 야마다 아츠 오 (Yamada Atsuo) 교수와 오쿠보 마사시 (Okubo Masashi) 부교수는 국립 고급 산업 과학 기술 연구소 (바카라 커뮤니티)의 오타니 미노루 (Otani Minoru)와 국립 산업 과학 및 기술 연구소 (National Institute of Advanced Industrial Institmxene(Maxine, note 4)라는 층 화합물의 층간 나노 스페이스에 리튬 이온과 함께 갇힌 물 분자가 "음의 로투스 바카라 상수"(그림 1)을 발견했다
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이 연구 결과는 2019 년 2 월 20 일자 영국 학술 저널입니다Nature Communications디지털 버전에 게시 됨 이 연구의 결과 중 일부는 특별 프로모션 연구를위한 과학 보조금 홍보를위한 일본 협회 (No 15H05701)의 지원을 제공했습니다
① 연구 배경
전기 이중 레이어 커패시터 (EDLC :전기 이중층 커패시터)는 리튬 이온 배터리보다 반복적 인 사용과 더 높은 출력으로 인해 거의 변절되지 않는 특성을 가지고 있습니다 이 기능을 활용하여 소행성 프로브 "Hayabusa"에 설치된 소규모 모바일 로봇의 전원으로 사용되는 등 광범위한 목적으로 사용되었으며 에너지 절약 사회에서 전기를 고도로 효율적으로 사용할 수있는 전기 저장 장치로 응용 프로그램 범위를 확장 할 것으로 예상됩니다
EDLC는 전자 이중층으로 알려진 전자와 이온의 현상으로 인해 전기를 저장합니다 따라서 전기를보다 효율적으로 저장하려면 전자와 이온이 작은 공간 (나노 공간)의 고밀도에 국한되어야합니다 지금까지, 이온이 나노 우주에 한정 될 때, 이온에 결합 된 물 분자도 함께 제한되어 있지만, 이들 물 분자의 특성은 알려지지 않은 것으로 알려져있다 따라서, 물 분자가 공존하는 나노 스페이스에서 전자와 이온을 효과적으로 제한하는 알려진 방법론은 없다
② 연구 컨텐츠
Yamada Atsuo 교수의 연구 그룹 및 도쿄 대학 (Gogami Masaru)의 공학 대학원 (Gogami Masaru) 공학 대학원, Okubo Satoshi 부교수는 전극 재료로서 MXENE라는 층을 사용하여 다양한 알칼리 금속 이온을 사용하여 EDLC를 만들었고 전기 이중 층 용량을 측정했습니다 이온 및 물 분자가 MXEN의 중간층 나노 스페이스 (<1 nm)에 포획되었을 때, 수화 이온 반경에서 예측 된 경향의 반대 인 리튬 이온> 나트륨 이온> 칼륨 이온> 루비 듐 이온의 순서에서의 부피의 용량이 증가한다 이 비정상적인 현상을 명확히하기 위해, 우리는 바카라 커뮤니티 (Nakahachi Ryoji 회장)를 수행했습니다기능적 자료 계산 설계 연구 센터(연구 센터 이사 Asai Minoru) Integrated Simulation Experiment Verification Team, Otani Minoru, 연구팀 책임자 인 Ando Yasunobu는 이온과 물 분자가 Mxene의 층간 나노 공간에 갇힌 상태에 대해 논의했습니다클래식 솔루션(주 5) 및첫 번째 원칙 계산(주 6)를 기반으로 계산 시뮬레이션을 수행했으며, 층간 나노 공간에서 발생하는 정전기 전위 분포는 이온 종에 크게 의존한다는 것을 발견했습니다
실험 및 시뮬레이션에서 얻은 커패시턴스와 정전기 전위 분포 사이의 상관 관계에 대한 자세한 분석 (그림 2)은 리튬 및 나트륨 이온과 함께 갇힌 물 분자가 "음성 로투스 바카라체 상수"를 갖는다는 것을 발견했습니다 즉, 층 화합물에 갇힌 물 분자는 동시에 갇힌 전자와 리튬 이온 사이에 발생하는 서브 나노 미터 차수 변조를 갖는다로투스 바카라체 응답은 외부 전기장과 공명하며 과도(주 7)는 나노 공간에 비정상적인 전위 분포가 형성되어 외부 전기장과 반대 방향으로 내부 전기장을 생성 함을 보여줍니다 한편, 물 분자와 약한 상호 작용을 갖는 이온 인 루비듐 이온과 칼륨 이온이 포획되었을 때, 물 분자의 음성 로투스 바카라 상수는 확인되지 않았다 (도 3)
전자와 이온 사이에서 발생하는 외부 전기장을 취소하는 현상은 나노 스페이스에서 전자와 이온의 고밀도 저장을 낮은 에너지로 수행하는 능력에 해당합니다 (그림 4) 이것은 더 많은 전기를 보관할 수 있음을 의미합니다 실제로, EDLC가 음의 로투스 바카라 상수를 나타내는 리튬 이온을 사용하여 제조되었을 때, 음의 로투스 바카라 상수를 나타내지 않는 이온이 사용될 때보 다 17 배 더 많은 전기를 저장할 수 있었다
인터레이어 나노 스페이스에 한정된 물 분자의 음의 로투스 바카라 상수와 전기 이중층 용량의 관련 증가는 다양한 조성물과의 MXENE (TI2CTx, ti3C2tx, mo2CTx)와 그래 핀 및 층 화합물 MOS2와 같은 다른 층화 된 화합물 또한 실험과 이론을 통해 확인되었으며 보편적 인 현상으로 밝혀졌습니다
③ 사회적 중요성/미래 계획
이 연구는 나노 스페이스에서 전자 및 이온에 국한된 물 분자가 음성 로투스 바카라 상수의 비정상적인 물리적 특성을 가지고 있으며, 나노 과학에 대한 중요한 보편적 지식을 제공하며, 나노 스페이스에 제정 될 때 다양한 화학 종의 비정상적인 물리적 특성에 대한 학문적 연구를 유도 할 것으로 예상된다
에너지 장치 개발의 관점에서, EDLC의 고 에너지 밀도는 지속 가능한 에너지 시스템을 실현하기위한 중요한 연구 주제입니다 나노 우주에 갇힌 물 분자의 음의 로투스 바카라 상수, 즉 전기 이중층 용량의 증가는 다른 EDLC 재료에 널리 적용될 수 있으며 고 에너지 밀도 EDLC의 발달로 이어질 것으로 예상된다
이 연구의 결과 중 일부는 일본 과학 특별 촉진 연구 (No 15H05701), 기본 연구 (A) (No 18H03924) 및 교육, 문화, 스포츠, 과학 기술 전략 <연구 센터 형식 형식 <Kyoto University Unit 및 배터리 연구 센터 "(기본적으로 연구 중심부 연구 : 기본적으로 연구원의 과학 및 기술 전략 프로젝트)에 의해 일본 협회에서 뒷받침되었습니다 Tsunehiro, 교토 대학교 공학 대학원 교수)
잡지 이름 :Nature Communications
논문 제목 :나노 시트에 제한된 물의 부정적인 영양 상수
저자 :Akira Sugahara, Yasunobu Ando, Satoshi Kajiyama, Kazuma Gotoh, Koji Yazawa, Minoru Otani, Masashi Okubo, Atsuo Yamada*
doi 번호 : 101038/s41467-019-08789-8
초록 URL :http : //wwwnaturecom/ncomms