Diez años después de producir la primera muestra de la familia de nanomateriales ahora ampliamente estudiada, llamado MXenes, Los investigadores de la Universidad de Drexel han descubierto una forma diferente de fabricar el material del tamaño de un átomo que presenta una serie de nuevas oportunidades para su uso. El nuevo descubrimiento elimina el agua del proceso de fabricación de MXene, lo que significa que los materiales se pueden utilizar en aplicaciones en las que el agua es un contaminante o dificulta el rendimiento, como electrodos de batería y células solares de próxima generación.

El descubrimiento, que se informó recientemente en la revista Chem , ofrece una nueva receta para la solución de grabado químico que corta capas de un material precursor cerámico, llamada fase MAX, para crear el material en capas bidimensional, MXene.

"Se ha utilizado agua en los procesos de fabricación de MXene para diluir el ácido de grabado y como disolvente para neutralizar la reacción, pero no siempre es deseable tener rastros de él en el producto terminado, "dijo Michel Barsoum, Doctor., Profesor distinguido en la Facultad de Ingeniería de Drexel. "Hemos estado trabajando durante algún tiempo para explorar otros grabadores para la fase MAX P y ahora hemos encontrado la combinación correcta de productos químicos para hacerlo".

Los MXenes han ganado atención recientemente como un versátil, durable, material conductor que algún día podría mejorar la tecnología de almacenamiento de energía, habilitar textiles funcionales y mejorar las telecomunicaciones.

Típicamente, se producen mediante el uso de un ácido concentrado, para tallar capas atómicas de un material de fase MAX, luego se lava con agua, dejando escamas del material en capas 2-D que se pueden presionar en películas delgadas para microchips y electrodos de batería, o se utiliza para pintar con aerosol antenas y revestir dispositivos para bloquear la interferencia electromagnética.

El proceso informado por Barsoum y sus colegas utiliza un solvente orgánico y fluoruro de dihidrógeno de amonio, una sustancia química que se usa comúnmente para grabar vidrio, para grabar la fase MAX. Esta solución hace el grabado, en parte porque se descompone en ácido fluorhídrico, pero no requiere agua para diluirlo o para lavar los subproductos del proceso de grabado.

Hacer MXenes de esta manera altera su estructura química interior de una manera que los hace más adecuados para su uso en algunos tipos de baterías y células solares, donde el agua podría ralentizar las reacciones químicas que almacenan y / o convierten energía. o en algunos casos incluso provocar corrosión.

"Los MXenes han demostrado un enorme potencial para mejorar los dispositivos de almacenamiento de energía, pero este descubrimiento los hace aún más prometedores, "dijo Varun Natu, investigador de doctorado en la Facultad de Ingeniería de Drexel y primer autor del artículo. "Se sabe que incluso la mínima presencia de agua en las baterías de iones de litio o sodio que utilizan electrolitos orgánicos, puede ser perjudicial para su desempeño. En este trabajo mostramos que las películas de MXene sintetizadas en carbonato de propileno, cuando se prueban como ánodos en una batería de iones de sodio, exhiben casi el doble de capacidad que la misma composición grabada en agua. Además, MXenes ahora se puede integrar fácilmente con materiales que se degradan en el agua, como ciertos polímeros, puntos cuánticos y perovskitas ".

Además de equipar mejor los MXenes para estas aplicaciones, y otros aún por explorar, El nuevo proceso también permite recuperar y reutilizar la solución de grabado. Esto podría resultar valioso a medida que los investigadores y las empresas busquen la forma más eficiente de ampliar el proceso de producción.

Investigadores involucrados en este trabajo, incluyendo Vibha Kalra, Doctor., un profesor asociado en la Facultad de Ingeniería, han estado explorando formas de mejorar el rendimiento y la seguridad de la batería mediante el desarrollo de nuevos tipos de electrodos. Este descubrimiento podría traer nuevas opciones para estos esfuerzos, así como el creciente cuerpo de investigación de MXene de Drexel.

"Este hallazgo abre un enorme campo de investigación nuevo:el grabado no acuoso de MXenes. Creemos que este trabajo resultará útil no solo para la comunidad MXene, sino también a investigadores de todo el campo de la ciencia de los materiales, "Dijo Barsoum.