Gli MXene sono materiali 2D che formano particelle multistrato (a sinistra) da cui sono realizzati pseudocondensatori. La luce brillante dei raggi X sugli MXenes ha rivelato cambiamenti della loro struttura chimica all'intercalazione delle molecole di urea (a destra) rispetto agli MXenes incontaminati (al centro). Attestazione:HZB/Martin Künsting
Come una batteria, Gli MXene possono immagazzinare grandi quantità di energia elettrica attraverso reazioni elettrochimiche, ma a differenza delle batterie, può essere caricato e scaricato in pochi secondi. In collaborazione con Drexel University, un team di HZB ha dimostrato che l'intercalazione delle molecole di urea tra gli strati di MXene può aumentare la capacità di tali "pseudo-condensatori" di oltre il 50 percento. A BESSY II hanno analizzato come i cambiamenti della chimica della superficie di MXene dopo l'intercalazione dell'urea siano responsabili di ciò.
Esistono diverse soluzioni per l'accumulo di energia elettrica:batterie elettrochimiche a base di litio, Per esempio, immagazzinare grandi quantità di energia, ma richiedono lunghi tempi di ricarica. Supercondensatori, d'altra parte, sono in grado di assorbire o rilasciare energia elettrica in modo estremamente rapido, ma immagazzinano molta meno energia elettrica.
Pseudocondensatore MXene
Un'ulteriore opzione è all'orizzonte dal 2011:una nuova classe di materiali 2-D che immagazzinano enormi quantità di carica è stata scoperta alla Drexel University, negli Stati Uniti. Questi sono i cosiddetti MXenes, Ti 3 C 2 Tx nanosheet che formano insieme una rete bidimensionale, simile al grafene. Mentre il titanio (Ti) e il carbonio (C) sono elementi, Tx descrive diversi gruppi chimici che sigillano la superficie, per esempio gruppi OH. Gli MXene sono materiali altamente conduttivi con superfici idrofile e possono formare dispersioni simili a inchiostro nero, composto da particelle stratificate impilate in acqua.
Ti 3 C 2 Tx MXene può immagazzinare tanta energia quanto le batterie, ma può essere caricato o scaricato in decine di secondi. Mentre i supercondensatori altrettanto veloci (o più veloci) assorbono la loro energia per adsorbimento elettrostatico di cariche elettriche, l'energia è immagazzinata in legami chimici sulla superficie di MXenes. L'accumulo di energia è quindi molto più efficiente.
Nuove intuizioni sulla chimica con metodi a raggi X molli
In collaborazione con il gruppo di Yuri Gogotsi alla Drexel University, gli scienziati dell'HZB Dr. Tristan Petit e Ameer Al-Temimy hanno ora utilizzato per la prima volta la spettroscopia di assorbimento di raggi X molli per studiare campioni di MXene in due stazioni sperimentali:LiXEdrom e X-PEEM a BESSY II. Con questi metodi, l'ambiente chimico dei gruppi superficiali di MXene è stato analizzato su singoli fiocchi di MXene nel vuoto ma anche direttamente nell'ambiente acquatico. Hanno trovato differenze drammatiche tra MXene incontaminati e MXene tra i quali le molecole di urea erano intercalate.
L'urea aumenta la capacità
La presenza di molecole di urea modifica anche significativamente le proprietà elettrochimiche dei MXeni. La capacità dell'area è aumentata a 1100 mF/cm
2
, che è del 56 percento superiore a pristineTi 3 C 2 Elettrodi Tx preparati in modo simile. Le analisi XAS a BESSY II hanno mostrato che la chimica della superficie è modificata dalla presenza delle molecole di urea. "Potremmo anche osservare lo stato di ossidazione degli atomi di Ti sul Ti 3 C 2 Tx MXene superfici utilizzando X-PEEM. Questo stato di ossidazione era più elevato con la presenza di urea che può facilitare l'immagazzinamento di più energia, "dice Ameer Al-Temimy, che ha eseguito le misurazioni come parte del suo dottorato.
