Con una serie de propiedades impresionantes, los carburos de metales de transición, generalmente conocidos como MXenes, son nanomateriales interesantes que se están explorando en el sector del almacenamiento de energía. Los MXenes son materiales bidimensionales que consisten en escamas tan delgadas como unos pocos nanómetros.
Su extraordinaria resistencia mecánica, su relación superficie-volumen ultraalta y su estabilidad electroquímica superior los convierten en candidatos prometedores como supercondensadores, siempre y cuando puedan disponerse en arquitecturas 3D donde haya un volumen suficiente de nanomateriales y sus grandes superficies sean disponible para reacciones.
Durante el procesamiento, los MXenes tienden a reapilarse, comprometiendo la accesibilidad e impidiendo el desempeño de las escamas individuales, disminuyendo así algunas de sus importantes ventajas. Para sortear este obstáculo, Rahul Panat y Burak Ozdoganlar, junto con Ph.D. El candidato Mert Arslanoglu, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Carnegie Mellon, ha desarrollado un sistema de materiales completamente nuevo que organiza nanohojas MXene 2D en una estructura 3D.
Esto se logra infiltrando MXene en una estructura cerámica porosa o columna vertebral. La columna vertebral de cerámica se fabrica mediante la técnica de fundición por congelación, que produce estructuras de poros abiertos con dimensiones y direccionalidad de poros controladas.
El estudio se publica en la revista Advanced Materials. .
"Podemos infiltrar escamas de MXene dispersas en un disolvente en una estructura cerámica porosa fundida por congelación", explicó Panat, profesor de ingeniería mecánica. "A medida que el sistema se seca, las escamas 2D MXene recubren uniformemente las superficies internas de los poros interconectados de la cerámica sin perder ningún atributo esencial".
Como se describió en su publicación anterior, el solvente utilizado en su enfoque de fundición congelada es una sustancia química llamada canfeno, que produce estructuras dendríticas parecidas a árboles cuando se congela. También se pueden obtener otros tipos de distribuciones de poros utilizando diferentes disolventes.
Para probar las muestras, el equipo construyó supercondensadores de dos electrodos "tipo sándwich" y los conectó a una luz LED con un voltaje de funcionamiento de 2,5 V. Los supercondensadores alimentaron con éxito la luz con densidad de potencia y valores de densidad de energía más altos que los obtenidos anteriormente para cualquier supercondensador basado en MXene.
"No sólo hemos demostrado una forma excepcional de utilizar MXene, sino que lo hemos hecho de una manera reproducible y escalable", afirmó Ozdoganlar, también profesor de ingeniería mecánica. "Nuestro nuevo sistema de materiales puede fabricarse en masa con las dimensiones deseadas para su uso en dispositivos comerciales. Creemos que esto puede tener un enorme impacto en los dispositivos de almacenamiento de energía y, por tanto, en aplicaciones como los vehículos eléctricos".
Con excelentes resultados experimentales y una conductividad eléctrica que se puede ajustar con precisión controlando la concentración de MXene y la porosidad de la columna vertebral, este sistema de material tiene un potencial de gran alcance para baterías, pilas de combustible, sistemas de descarbonización y dispositivos catalíticos. Es posible que algún día incluso veamos un supercondensador MXene alimentar nuestros vehículos eléctricos.
"Nuestro enfoque se puede aplicar a otros materiales a nanoescala, como el grafeno, y la columna vertebral se puede construir a partir de materiales además de la cerámica, incluidos polímeros y metales", dijo Panat. "Esta estructura podría permitir una amplia gama de aplicaciones tecnológicas novedosas y emergentes".
Más información: Mert Arslanoglu et al, Ensamblaje 3D de redes MXene utilizando una columna vertebral cerámica con porosidad controlada, Materiales avanzados (2023). DOI:10.1002/adma.202304757
Información de la revista: Materiales avanzados
Proporcionado por Ingeniería Mecánica de la Universidad Carnegie Mellon
