p Na corrida para encontrar materiais cada vez mais finos, área de superfície e condutividade para fazer eletrodos de bateria com melhor desempenho, um pedaço de argila pode ter acabado de assumir a liderança. Cientistas de materiais da Faculdade de Engenharia da Universidade Drexel inventaram a argila, que é altamente condutivo e pode ser facilmente moldado em uma variedade de formas e tamanhos. Isso representa um afastamento do processamento bastante complicado e caro - atualmente usado para fazer materiais para baterias de íon-lítio e supercapacitores - e em direção a um que se parece um pouco com massa de biscoito rolando com resultados que são ainda mais doces do ponto de vista de armazenamento de energia. p Com a publicação de sua receita de "argila MXene condutora" na edição de 1º de dezembro da Natureza , os pesquisadores sugerem uma mudança significativa na forma como os eletrodos para dispositivos de armazenamento são produzidos.

p O barro, que já exibe condutividade equivalente à dos metais, pode ser transformado em um filme - utilizável em um eletrodo - simplesmente rolando ou pressionando.

p "Ambas as propriedades físicas da argila, consistindo em partículas de carboneto de titânio bidimensionais, bem como suas características de desempenho, parecem torná-lo um candidato excepcionalmente viável para uso em dispositivos de armazenamento de energia, como baterias e supercapacitores, "disse Yury Gogotsi, PhD, Ilustre Universidade e Professor da Cátedra Curadora da Faculdade de Engenharia, e diretor da A.J. Instituto de Nanomateriais Drexel, quem é co-autor do artigo. “O procedimento para fazer a argila também usa muito mais seguro, ingredientes prontamente disponíveis do que aqueles que usamos para produzir eletrodos MXene no passado. "

p A chave para a utilidade deste material, de acordo com Michel Barsoum, PhD, Distinto professor da Faculdade de Engenharia e um dos inventores do MXenes, está em sua forma.

p "Como qualquer pessoa que tenha jogado com lama pode atestar, argila é hidrofílica - amante da água, "Barsoum disse." A argila também tem camadas e, quando hidratada, as moléculas de água deslizam entre as camadas e a tornam plástica que, por sua vez, pode ser facilmente moldada em formas complexas. O mesmo acontece aqui; quando adicionamos água ao MXene, a água penetra entre as camadas e confere ao material resultante plasticidade e moldabilidade. Grafeno - um material amplamente estudado para uso em eletrodos - por outro lado, é condutor, mas não gosta de água - é hidrofóbico. O que descobrimos é um material em camadas bidimensional condutor que também adora água. O fato de que agora podemos rolar nossos eletrodos de forma rápida e eficiente, e não ter que usar aglutinantes e / ou aditivos condutores torna este material bastante atraente do ponto de vista da produção em massa. "

p A descoberta aconteceu enquanto Michael Ghidiu, um aluno de doutorado orientado por Barsoum e Gogotsi no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Drexel, estava testando um novo método para fazer MXenes - materiais bidimensionais inventados na Drexel que estão entre os principais candidatos para uso em baterias e supercapacitores de próxima geração.

p Afastando-se um pouco do processo de corrosão química original iniciado na Drexel, que usa ácido fluorídrico altamente tóxico, Ghidiu, em vez disso, usou um sal de fluoreto e ácido clorídrico para decapar o alumínio de uma base de titânio, material cerâmico em camadas chamado de fase MAX - também descoberto em Drexel por Barsoum. Esses dois ingredientes, que são nomes conhecidos nas aulas de química e também são muito mais seguros de manusear do que o ácido fluorídrico, reduziu a fase MAX a uma pilha de partículas pretas. Para interromper a reação e remover quaisquer produtos químicos residuais, Ghidiu lavou o material com água. Mas, em vez de encontrar as familiares partículas de MXene em camadas, ele descobriu que o sedimento gravado absorveu a água para formar um material semelhante a argila.

p "Esperávamos encontrar um material ligeiramente diferente vindo do novo processo, mas nada como isso, "Ghidiu disse." Estávamos apenas esperando por um mais seguro, maneira menos cara de fazer MXenes, quando algo ainda melhor pousou na mesa. "

p Um dos primeiros testes que a equipe realizou na argila foi para ver se ela poderia ser pressionada em uma camada fina, mantendo suas propriedades condutoras - afinal, seu objetivo inicial era fazer um filme condutor.

p "Ser capaz de enrolar argila em um filme é um grande contraste no tempo de produção, segurança e custo quando comparado com as duas práticas mais comuns para fazer materiais de eletrodo, "Ghidiu disse." Tanto o processo de ataque químico quanto o de descascamento usados ​​para fazer MXenes e uma descamação, método de filtração e deposição - como a fabricação de papel - emprega ácidos fortes e caros, materiais menos comuns. O processo de fabricação de argila é muito mais simples, mais rápido e seguro. "

p Com a nova descoberta, todas essas etapas são evitadas, simplificando muito o processamento. Agora os pesquisadores podem simplesmente gravar a fase MAX, lave o material resultante e enrole a argila resultante em filmes de várias espessuras.

p "Eu diria que o benefício mais importante do novo método - além de sua capacitância aumentada - é que agora podemos fazer um eletrodo pronto para funcionar em cerca de 15 minutos, Considerando que o processo total antes do mesmo ponto de partida seria da ordem de um dia, "Ghidiu disse.

p A disponibilidade de seus ingredientes também torna a argila bastante atraente do ponto de vista de produção.

p "Ser capaz de fazer uma argila condutora, essencialmente feito de carboneto de titânio com a ajuda de um sal de fluoreto comum e ácido clorídrico é o equivalente a fazer um biscoito de chocolate - todo mundo tem esses ingredientes na despensa, "disse Barsoum.

p Mas uma questão que ressoa na maioria das pesquisas de materiais desta natureza é, claro:o que isso pode fazer com uma carga elétrica?

p Investigação completa do desempenho eletroquímico da argila, conduzido por Maria Lukatskaya uma estudante de doutorado orientada por Gogotsi e Barsoum, que foi relatado no jornal, indicou que a capacidade da argila de armazenar uma carga elétrica é três vezes maior que a relatada para MXenes produzidos por ataque com ácido fluorídrico. Isso significa que ele pode encontrar usos nas baterias que alimentam telefones celulares e dão partida em carros, ou mesmo em um supercapacitor que poderia um dia ajudar as fontes de energia renováveis ​​a se encaixarem em uma rede elétrica regional.

p "Tenha em mente que esta é a primeira geração do material que estamos testando, "Lukatskaya disse." Não fizemos nada para aumentar suas habilidades, e a 900 F / cm3 já mostra uma capacitância maior por unidade de volume do que a maioria dos outros materiais. Também relatamos que ele não perde sua capacitância por mais de 10, 000 ciclos de carga / descarga, então estamos falando de um pedaço de argila muito especial aqui. "

p Mudar o meio dos cientistas de materiais de filme para argila apresenta uma variedade de novos caminhos para pesquisa e manufatura. A argila pode ser moldada em qualquer forma. Ele também pode ser diluído em uma tinta condutora que endurece em alguns minutos, mantendo suas propriedades condutivas. Isso significa que pode ter aplicações em baterias, revestimentos transparentes condutores e reforço para compósitos entre outros.

p Um estudo microscópico eletrônico das partículas de argila dispersas na água, conduzido pelo co-autor Mengqiang Zhao, PhD, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Gogotsi, mostraram que a argila é composta de camadas únicas de MXene com cerca de um nanômetro - apenas alguns átomos - de espessura. Essa estrutura atomicamente fina indica que os pesquisadores provavelmente descobrirão que a argila tem muitas propriedades eletrônicas e ópticas atraentes à medida que aprendem mais sobre ela.

p "Planejamos continuar avançando com nosso estudo deste novo material na esperança de desenvolver um processo de fabricação verdadeiramente escalável, melhorando a qualidade e o rendimento de MXene e esfoliando outras fases MAX para produzir novos MXenes, que não poderia ser sintetizado usando o processo usado anteriormente - as possibilidades parecem infinitas. Embora possa parecer apenas um pouco de argila, Acredito que esta descoberta irá remodelar a pesquisa no campo daqui para frente. ", Disse Barsoum.