En la carrera por encontrar materiales cada vez más finos, área de superficie y conductividad para hacer electrodos de batería de mejor rendimiento, un trozo de arcilla podría haber tomado la delantera. Los científicos de materiales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel inventaron la arcilla, que es altamente conductivo y se puede moldear fácilmente en una variedad de formas y tamaños. Representa un alejamiento del procesamiento bastante complicado y costoso, que actualmente se usa para fabricar materiales para baterías de iones de litio y supercondensadores, y hacia uno que se parece un poco a extender masa para galletas con resultados que son aún más dulces desde el punto de vista del almacenamiento de energía.

Con la publicación de su receta de "arcilla conductora MXene" en la edición del 1 de diciembre de Naturaleza , los investigadores sugieren un cambio significativo en la forma en que se producen los electrodos para dispositivos de almacenamiento.

La arcilla, que ya exhibe conductividad a la par con la de los metales, se puede convertir en una película, utilizable en un electrodo, simplemente enrollando o presionando.

"Tanto las propiedades físicas de la arcilla, que consta de partículas de carburo de titanio bidimensionales, así como sus características de rendimiento, parece convertirlo en un candidato excepcionalmente viable para su uso en dispositivos de almacenamiento de energía como baterías y supercondensadores, "dijo Yury Gogotsi, Doctor, Profesora Distinguida de la Cátedra Universitaria y Fiduciaria de la Facultad de Ingeniería, y director de A.J. Instituto de Nanomateriales Drexel, quien es coautor del artículo. "El procedimiento para hacer la arcilla también utiliza mucho más seguro, ingredientes fácilmente disponibles que los que usamos para producir electrodos MXene en el pasado ".

La clave de la utilidad de este material, según Michel Barsoum, Doctor, Profesor distinguido de la Facultad de Ingeniería y uno de los inventores de MXenes, está en su forma.

"Como puede atestiguar cualquiera que haya jugado con barro, la arcilla es hidrofílica, amante del agua, "Dijo Barsoum." La arcilla también está en capas y cuando se hidrata, las moléculas de agua se deslizan entre las capas y lo convierten en plástico que, a su vez, puede moldearse fácilmente en formas complejas. Aquí pasa lo mismo; cuando agregamos agua a MXene, el agua penetra entre las capas y confiere plasticidad y moldeabilidad al material resultante. El grafeno, un material ampliamente estudiado para su uso en electrodos, por otro lado, es conductor pero no le gusta el agua, es hidrofóbico. Lo que descubrimos es un material en capas bidimensional conductor que también ama el agua. El hecho de que ahora podamos enrollar nuestros electrodos de manera rápida y eficiente, y no tener que usar aglutinantes y / o aditivos conductores hace que este material sea bastante atractivo desde el punto de vista de la producción en masa ".

El descubrimiento se produjo mientras Michael Ghidiu, un estudiante de doctorado asesorado por Barsoum y Gogotsi en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en Drexel, estaba probando un nuevo método para fabricar MXenes:materiales bidimensionales inventados en Drexel que se encuentran entre los principales candidatos para su uso en baterías y supercondensadores de próxima generación.

Alejándose ligeramente del proceso de grabado químico original del que fue pionero en Drexel, que utiliza ácido fluorhídrico altamente tóxico, En su lugar, Ghidiu usó una sal de fluoruro y ácido clorhídrico para grabar el aluminio de una base de titanio, material cerámico en capas llamado fase MAX, también descubierto en Drexel por Barsoum. Estos dos ingredientes, que son nombres muy conocidos en la clase de química y también son mucho más seguros de manejar que el ácido fluorhídrico, redujo la fase MAX a una pila de partículas negras. Para detener la reacción y eliminar los productos químicos residuales, Ghidiu lavó el material en agua. Pero en lugar de encontrar las familiares partículas MXene en capas, descubrió que el sedimento grabado absorbía el agua para formar un material arcilloso.

"Esperábamos encontrar un material ligeramente diferente proveniente del nuevo proceso, pero nada como esto, ", Dijo Ghidiu." Sólo esperábamos un lugar más seguro, forma menos costosa de hacer MXenes, cuando algo mejor aterrizó en la mesa ".

Una de las primeras pruebas que el equipo realizó en la arcilla fue ver si se podía presionar en una capa delgada mientras conservaba sus propiedades conductoras; después de todo, su objetivo inicial era hacer una película conductora.

"Poder enrollar arcilla en una película es un gran contraste en el tiempo de producción, seguridad y costo en comparación con las dos prácticas más comunes para fabricar materiales de electrodos, "Dijo Ghidiu." Tanto el proceso de grabado y pelado utilizado para hacer MXenes como un descascarillado, método de filtración y deposición, como la fabricación de papel, emplea ácidos fuertes y costosos, materiales menos comunes. El proceso de fabricación de arcilla es mucho más simple, más rápido y seguro ".

Con el nuevo descubrimiento, todos estos pasos se evitan, simplificando enormemente el procesamiento. Ahora los investigadores pueden simplemente grabar la fase MAX, lavar el material resultante y enrollar la arcilla resultante en películas de varios espesores.

"Yo diría que el beneficio más importante del nuevo método, además de su mayor capacitancia, es que ahora podemos hacer un electrodo listo para usar en unos 15 minutos, Considerando que el proceso total antes desde el mismo punto de partida sería del orden de un día, "Dijo Ghidiu.

La disponibilidad de sus ingredientes también hace que la arcilla sea bastante atractiva desde el punto de vista de la producción.

"Poder hacer una arcilla conductora, esencialmente de carburo de titanio con la ayuda de una sal de fluoruro común y el ácido clorhídrico son los materiales equivalentes a hacer una galleta con chispas de chocolate; todos tienen estos ingredientes en la despensa, "dijo Barsoum.

Pero una pregunta que resuena en la mayoría de las investigaciones de materiales de esta naturaleza es:por supuesto:¿qué puede hacer con una carga eléctrica?

Investigación exhaustiva del rendimiento electroquímico de la arcilla, dirigido por Maria Lukatskaya, una estudiante de doctorado asesorada por Gogotsi y Barsoum, que se informó en el periódico, indicó que la capacidad de la arcilla para almacenar una carga eléctrica es tres veces mayor que la reportada para los MXenes producidos por el grabado con ácido fluorhídrico. Esto significa que podría encontrar usos en las baterías que alimentan los teléfonos celulares y encienden los automóviles, o incluso en un supercondensador que algún día podría ayudar a que las fuentes de energía renovables encajen en una red eléctrica regional.

"Tenga en cuenta que esta es la primera generación del material que estamos probando, "Dijo Lukatskaya." No hemos hecho nada para aumentar sus habilidades, ya 900 F / cm3 ya muestra una mayor capacitancia por unidad de volumen que la mayoría de los otros materiales. También informamos que no pierde nada de su capacitancia a través de más de 10, 000 ciclos de carga / descarga, así que estamos hablando de un trozo de arcilla bastante especial ".

Cambiar el medio de los científicos de materiales de la película a la arcilla presenta una variedad de nuevas vías para la investigación y la fabricación. La arcilla se puede moldear en cualquier forma. También se puede diluir en una pintura conductora que se endurece en unos pocos minutos y al mismo tiempo conserva sus propiedades conductoras. Esto significa que podría tener aplicaciones en baterías, Recubrimientos conductivos transparentes y refuerzo para composites entre otros.

Un estudio microscópico electrónico de las partículas de arcilla dispersas en agua, realizado por el coautor Mengqiang Zhao, Doctor, un investigador postdoctoral en el grupo de Gogotsi, mostró que la arcilla está formada por capas únicas de MXene de aproximadamente un nanómetro, solo unos pocos átomos, de espesor. Esta estructura atómicamente delgada indica que es probable que los investigadores descubran que la arcilla tiene muchas propiedades ópticas y electrónicas atractivas a medida que continúan aprendiendo más sobre ella.

"Planeamos seguir avanzando con nuestro estudio de este nuevo material con la esperanza de desarrollar un proceso de fabricación verdaderamente escalable, mejorar la calidad y el rendimiento de MXene y exfoliar otras fases MAX para producir nuevos MXenes, que no se pudo sintetizar utilizando el proceso utilizado anteriormente, las posibilidades parecen infinitas. Si bien puede parecer solo un poco de arcilla, Creo que este descubrimiento remodelará la investigación en el campo en el futuro ", dijo Barsoum.