Con una serie di proprietà impressionanti, i carburi dei metalli di transizione, generalmente indicati come MXeni, sono nanomateriali interessanti esplorati nel settore dello stoccaggio dell'energia. Gli MXeni sono materiali bidimensionali costituiti da scaglie sottili di pochi nanometri.
La loro eccezionale resistenza meccanica, il rapporto superficie-volume ultraelevato e la stabilità elettrochimica superiore li rendono candidati promettenti come supercondensatori, a condizione che possano essere disposti in architetture 3D in cui vi sia un volume sufficiente di nanomateriali e le loro grandi superfici siano disponibile per le reazioni.
Durante la lavorazione, gli MXene tendono a riimpilarsi, compromettendo l'accessibilità e impedendo le prestazioni dei singoli fiocchi, diminuendo così alcuni dei loro vantaggi significativi. Per aggirare questo ostacolo, Rahul Panat e Burak Ozdoganlar, insieme al Ph.D. il candidato Mert Arslanoglu, del Dipartimento di ingegneria meccanica della Carnegie Mellon University, ha sviluppato un sistema di materiali completamente nuovo che organizza nanofogli 2D di MXene in una struttura 3D.
Ciò si ottiene infiltrando MXene in un'impalcatura ceramica porosa o spina dorsale. La struttura portante in ceramica è fabbricata utilizzando la tecnica della fusione a freddo, che produce strutture a pori aperti con dimensioni e direzionalità dei pori controllate.
Lo studio è pubblicato sulla rivista Advanced Materials .
"Siamo in grado di infiltrare i fiocchi di MXene dispersi in un solvente in una struttura ceramica porosa congelata", ha spiegato Panat, professore di ingegneria meccanica. "Quando il sistema si asciuga, le scaglie 2D MXene rivestono uniformemente le superfici interne dei pori interconnessi della ceramica senza perdere alcun attributo essenziale."
Come descritto nella loro precedente pubblicazione, il solvente utilizzato nel loro approccio di freezecasting è una sostanza chimica chiamata canfene, che produce strutture dendritiche simili ad alberi quando congelato. Altri tipi di distribuzione dei pori possono essere ottenuti anche utilizzando solventi diversi.
Per testare i campioni, il team ha costruito supercondensatori a due elettrodi di tipo “sandwich” e li ha collegati a una luce LED con una tensione operativa di 2,5 V. I supercondensatori hanno alimentato con successo la luce con valori di densità di potenza e densità di energia più elevati rispetto a quelli ottenuti in precedenza per qualsiasi supercondensatore basato su MXene.
"Non solo abbiamo dimostrato un modo eccezionale di utilizzare MXene, ma lo abbiamo fatto in un modo riproducibile e scalabile", ha affermato Ozdoganlar, anche lui professore di ingegneria meccanica. "Il nostro nuovo sistema di materiali può essere prodotto in serie nelle dimensioni desiderate per essere utilizzato in dispositivi commerciali. Riteniamo che ciò possa avere un impatto enorme sui dispositivi di stoccaggio dell'energia e, quindi, su applicazioni come i veicoli elettrici."
Con eccezionali risultati sperimentali e una conduttività elettrica che può essere regolata con precisione controllando la concentrazione di MXene e la porosità della struttura portante, questo sistema di materiali ha un potenziale di vasta portata per batterie, celle a combustibile, sistemi di decarbonizzazione e dispositivi catalitici. Un giorno potremmo persino vedere un supercondensatore MXene alimentare i nostri veicoli elettrici.
"Il nostro approccio può essere applicato ad altri materiali su scala nanometrica, come il grafene, e la struttura portante può essere costruita con materiali oltre la ceramica, compresi polimeri e metalli", ha affermato Panat. "Questa struttura potrebbe consentire un'ampia gamma di applicazioni tecnologiche nuove ed emergenti."
Ulteriori informazioni: Mert Arslanoglu et al, Assemblaggio 3D di reti MXene utilizzando una dorsale ceramica con porosità controllata, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202304757
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito da Ingegneria meccanica della Carnegie Mellon University
