Como uma bateria, MXenes pode armazenar grandes quantidades de energia elétrica por meio de reações eletroquímicas, mas ao contrário das baterias, pode ser carregado e descarregado em questão de segundos. Em colaboração com a Drexel University, uma equipe do HZB mostrou que a intercalação de moléculas de ureia entre camadas de MXene pode aumentar a capacidade de tais 'pseudo-capacitores' em mais de 50 por cento. No BESSY II, eles analisaram como as mudanças na química da superfície do MXene após a intercalação de ureia são responsáveis ​​por isso.

Existem diferentes soluções para o armazenamento de energia elétrica:baterias eletroquímicas à base de lítio, por exemplo, armazenam grandes quantidades de energia, mas requerem longos tempos de carregamento. Supercapacitores, por outro lado, são capazes de absorver ou liberar energia elétrica com extrema rapidez - mas armazenam muito menos energia elétrica.

Pseudocapacitor MXene

Uma outra opção está no horizonte desde 2011:uma nova classe de materiais 2-D que armazenam enormes quantidades de carga foi descoberta na Universidade Drexel, nos E.U.A. Estes são os chamados MXenes, Ti ₃ C ₂ Nanofolhas Tx que formam uma rede bidimensional juntas, semelhante ao grafeno. Embora o titânio (Ti) e o carbono (C) sejam elementos, Tx descreve diferentes grupos químicos que selam a superfície, por exemplo grupos OH. MXenes são materiais altamente condutores com superfícies hidrofílicas e podem formar dispersões semelhantes à tinta preta, composto de partículas empilhadas em camadas na água.

Ti ₃ C ₂ O Tx MXene pode armazenar tanta energia quanto as baterias, mas pode ser carregado ou descarregado em dezenas de segundos. Embora os supercapacitores igualmente rápidos (ou mais rápidos) absorvam sua energia por adsorção eletrostática de cargas elétricas, a energia é armazenada em ligações químicas na superfície dos MXenes. O armazenamento de energia é, portanto, muito mais eficiente.

Novos insights sobre química por métodos de raios-X suaves

Em cooperação com o grupo de Yuri Gogotsi da Universidade Drexel, os cientistas do HZB, Dr. Tristan Petit e Ameer Al-Temimy, agora, pela primeira vez, usaram a espectroscopia de absorção de raios X suave para investigar amostras de MXene em duas estações experimentais - LiXEdrom e X-PEEM em BESSY II. Com esses métodos, o ambiente químico dos grupos de superfície MXene foi analisado sobre flocos individuais de MXene no vácuo, mas também diretamente no ambiente aquático. Eles encontraram diferenças dramáticas entre MXenes e MXenes prístinos entre os quais as moléculas de ureia foram intercaladas.

Ureia aumenta a capacidade

A presença de moléculas de ureia também altera significativamente as propriedades eletroquímicas dos MXenes. A capacidade da área aumentou para 1100 mF / cm ² , que é 56 por cento maior do que o pristineTi ₃ C ₂ Eletrodos Tx preparados de forma semelhante. As análises XAS no BESSY II mostraram que a química da superfície é alterada pela presença das moléculas de ureia. "Também pudemos observar o estado de oxidação dos átomos de Ti no Ti ₃ C ₂ Superfícies Tx MXene usando X-PEEM. Este estado de oxidação foi maior com a presença de uréia que pode facilitar o armazenamento de mais energia, "diz Ameer Al-Temimy, que realizou as medições como parte do seu doutorado.