Sustainable synthesis of Na2FeSiO4 using rice husk-derived silica: effect of calcination temperature on phase formation and electrical properties

Batterijen die onze telefoons en auto's van stroom voorzien, vertrouwen op een eenvoudig maar veeleisend principe: ionen, kleine geladen atomen, moeten vrij heen en weer kunnen bewegen tussen twee elektroden. Voor de volgende generatie van deze apparaten kijken wetenschappers naar natrium-ionbatterijen als een goedkoper, overvloediger alternatief voor de lithium-ionbatterijen die vandaag de dag de markt domineren. Voor deze batterijen om goed te werken, moet het materiaal in hen een stevig raamwerk zijn dat natriumionen kan vasthouden zonder uit elkaar te vallen, terwijl het ook gemakkelijk elektriciteit door zich heen laat stromen. Eén veelbelovende kandidaat voor deze rol is een verbinding genaamd natriumijzerorthosilicaat. Het bestaat uit silicium, ijzer, natrium en zuurstof, gerangschikt in een specifieke driedimensionale structuur. Het maken van dit materiaal vereist echter traditioneel dure chemische ingrediënten en energie-intensieve processen, wat het gebruik ervan beperkt.

Een team onderzoekers aan de Universitas Lampung in Indonesië heeft een manier gevonden om dit materiaal te maken met een gebruikelijk agrarisch afvalproduct: rijstkafjes. Rijstkafjes zijn de harde buitenste schillen van rijstkorrels, die meestal worden weggegooid na het millen. Deze kafjes zijn rijk aan silica, hetzelfde materiaal dat in zand en glas wordt gevonden. De onderzoekers vroegen zich af of ze deze afvalstof konden omzetten in een hoogwaardige precursor voor het batterijmateriaal, en zo ja, hoe de hittebehandeling die wordt gebruikt om het eindproduct te creëren, de eigenschappen ervan zou veranderen. Ze synthetiseerden het materiaal met een methode die de silica uit de rijstkafjes mengt met andere chemicaliën om een gel te vormen, die vervolgens wordt gedroogd en verhit. Door het materiaal te verhitten tot verschillende temperaturen, variërend van 500 tot 800 graden Celsius, observeerden ze hoe de interne structuur van het materiaal veranderde en hoe goed het elektriciteit geleidde.

De studie begon met het extraheren van pure silica uit de rijstkafjes. De onderzoekers kookten de kafjes in een sterke alkalische oplossing om de silica op te lossen, en voegden daarna zuur toe om het te laten stollen tot een gel. Na het drogen en het malen van deze gel tot een fijn poeder, mengden ze het met natriumhydroxide, ijzernitraat en citroenzuur. Dit mengsel werd verhit om het water te verdampen, waardoor een vaste precursor achterbleef. Deze precursor werd vervolgens in een oven geplaatst en tien uur lang verhit bij vier verschillende temperaturen: 500, 600, 700 en 800 graden Celsius. Het doel was om te zien hoe de hitte het ongeordende mengsel transformeerde in de geordende kristalstructuur die vereist is voor een batterijkathode.

Toen de onderzoekers de monsters onderzochten, stelden zij vast dat het gewenste natriumijzerorthosilicaat succesvol werd gevormd bij alle temperaturen, maar dat de kwaliteit van de kristallen verbeterde naarmate de hitte toenam. Bij de laagste temperatuur van 500 graden Celsius bevatte het materiaal de juiste ingrediënten, maar was het enigszins ongeordend, met veel kleine gaatjes en onregelmatige vormen. Naarmate de temperatuur steeg naar 800 graden Celsius, herschikten de atomen zichzelf in een veel dichter, meer perfect kristalrooster. De deeltjes werden compacter en de interne structuur werd uniformer. Dit proces zorgde er ook voor dat het materiaal watermoleculen verloor die aan het oppervlak kleefden, een verandering die bevestigde dat de hitte onzuiverheden verdreef en de kristalgroei mogelijk maakte.

Naast deze structurele veranderingen verschoven de elektrische eigenschappen van het materiaal op een verrassende manier. De onderzoekers maten hoe gemakkelijk elektriciteit door het materiaal kon stromen en ontdekten dat het monster dat tot 500 graden Celsius was verhit, elektriciteit beter geleidde dan de monsters die bij hogere temperaturen waren verhit. Het meest sterk gekristalliseerde monster, verhit tot 800 graden, was zelfs de slechtste geleider. Dit lijkt tegenintuïtief, aangezien men zou verwachten dat een perfecter kristal elektriciteit beter geleidt. De onderzoekers legden echter uit dat het monster bij de lagere temperatuur nog steeds veel structurele imperfecties en een minder dichte rangschikking van deeltjes bevatte. Deze imperfecties creëerden paden die hielpen bij het transport van lading. In contrast hiermee had het monster bij de hoge temperatuur een meer perfecte structuur, maar deze perfectie ging gepaard met een bredere energiekloof tussen de elektronentoestanden, waardoor het moeilijker werd voor elektriciteit om te stromen.

De studie keek ook naar de energie die nodig is om elektronen te exciteren binnen het materiaal, ook wel de optische bandgap genoemd. Deze waarde nam gestaag toe naarmate de temperatuur steeg, van 2,38 elektronvolt bij 500 graden naar 2,87 elektronvolt bij 800 graden. Deze toename komt overeen met de structurele verdichting waargenomen in de kristallen. De onderzoekers merkten op dat hoewel de monsters bij hogere temperaturen structureel perfecter waren, ze minder effectief waren in het geleiden van elektriciteit. De beste balans voor elektrische geleidbaarheid werd gevonden bij de lagere temperatuur, waar het materiaal nog enigszins ongeordend was. Dit suggereert dat voor dit specifieke materiaal een beetje structurele imperfectie juist gunstig kan zijn voor het verplaatsen van lading.

Uiteindelijk demonstreert het onderzoek dat rijstkafjes een levensvatbare en duurzame bron zijn voor het maken van natriumijzerorthosilicaat. Door deze agrarische afvalstof te gebruiken, vermijdt het proces de hoge kosten en de milieu-impact van traditionele chemische precursoren. De studie toont aan dat hoewel hogere temperaturen een meer geordende kristalstructuur creëren, ze niet noodzakelijkerwijs de elektrische prestaties verbeteren die nodig zijn voor een batterij. In plaats daarvan hangen de optimale eigenschappen af van een zorgvuldige balans tussen kristalorde en de aanwezigheid van structurele kenmerken die het ladingtransport bevorderen. Dit werk biedt een duidelijk pad om een alledaags afvalproduct om te zetten in een functioneel onderdeel voor toekomstige energieopslag, waarmee wordt bewezen dat duurzaamheid en prestaties hand in hand kunnen gaan in de materiaalkunde.